2016-11-27

Subject: Silício e carono unidos numa célula viva pela primeira vez

Silício e carono unidos numa célula viva pela primeira vez

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@ Nature/Arnaldur Halldorsson/Bloomberg via Getty Images

O silício está á nossa volta em todo lado, depois do oxigénio é o elemento mais abundante da crosta terrestre, pelo que a razão os organismos vivos nunca o incorporam na sua bioquímica há muito que tem sido um quebra-cabeças.

Agora, engenheiros químicos descobriram que os organismos vivos podem ser encorajados a unir quimicamente carbono e silício. Eles mostraram que uma enzima que existe naturalmente numa bactéria que vive em nascentes termais consegue criar ligações C–Si no interior de células vivas de Escherichia coli, desde que as bactérias sejam alimentadas com os compostos contendo silício adequados.

Modificando geneticamente a enzima, os investigadores criaram um catalizador biolõgico que realiza a reação de forma mais eficiente do que qualquer outro artificial.

A descoberta pode ajudar os químicos a desenvolver novos fármacos e catalizadores industriais e, talvez, explicar por que razão a evolução desdenhou quase por completo o silício.

A natureza explora vários metais comuns em bioquímica: os casos mais notáveis incluem o ferro na hemoglobina dos glóbulos vermelhos e o magnésio na clorofila dos cloroplastos.  Mas o silício (um elemento que combina as propriedades de metais e não metais) parece ocorrer apenas em compostos bioinorgânicos, como os das conchas de sílica das algas unicelulares diatomáceas, nunca chegando ás cadeias de carbono dos compostos orgânicos.

“Pobre silício, abundante na Terra mas rejeitado pela biosfera através da sua maravilhosa manipulação evolutiva”, diz Roald Hoffmann, químico vencedor do prémio Nobel e da Universidade Cornell em Ithaca, Nova Iorque.

Os investigadores aprenderam a ligar carbono e silício através de catalizadores artificiais mas Frances Arnold, engenheira química no Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, quis testar se alguma enzima também o poderia fazer, se tivesse essa oportunidade.

Percorrendo as bases de dados de proteínas, ela descobriu algumas dúzias de enzimas prometedras. Depois de alguma análise, a sua equipa decidiu-se por uma, derivada de uma bactéria extremófila que vive nas nascentes termais subaquáticas da Islândia, chamada Rhodothermus marinus. Sintetizaram o gene que codifica esta proteína e inseriram-no nas células da bactéria E. coli.

A sua hipótese revelou-se correta: a enzima conseguia catalizar as ligações silício-carbono, se recebesse os percursores adequados contendo silício. A enzima normalmente não o faz porque as bactérias não produzem naturalmente compostos contendo silício. “É espantoso que a natureza esteja disposta a fazer todo o tipo de coisas selvagens na presença deste novo alimento fornecido pelo Homem", diz Arnold.

  Ainda assim, as bactérias E. coli modificadas não eram muito eficientes na produção de compostos orgânicos com silício. Por isso a equipa introduziu mutações na região ativa da enzima e selecionou a bactéria que revelava melhorias. Foram suficientes algumas gerações para melhorar a produção, batendo os catalizadores artificiais. Os resultados foram publicados na última edição da revista Science.

"O artigo da equipa Arnold combina boa química e evolução dirigida para criar enzimas que formam ligações carbono-silício de forma muito específica”, diz Hoffmann. “Um trabalho maravilhoso que cria uma nova química."

Arnold desenvolveu a técnica da evolução dirigida na década de 1990, técnica que é agora usada em inúmeras aplicações, desde melhorias em detergentes de roupa á sintese de compostos medicinais. Ela este ano o Prémio Milénio de Tecnologia, no valor de €1 milhão, por esse trabalho.

“Isto abre oportunidades completamente novas na investigação farmacêutica e pode levar à descoberta de novos medicamentos”, diz Yitzhak Apeloig, especialista em química orgânica no Instituto Technion Israel de Tecnologia em Haifa.

As descobertas também podem ajudar a lidar com questões básicas sobre o início da evolução da vida, diz Arnold, e em particular se o seu antigo desdém pelo silício foi casual ou não: "Podemos começar a explorar quais são os custos e benefícios da incorporação do silício na vida.”

 

 

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