As nitrogenases estão entre as enzimas geoquimicamente mais importantes da Terra, fornecendo a todas as formas de vida nitrogênio biodisponível na forma de amônia (NH 3 ). Algumas nitrogenases também podem converter diretamente CO 2 em cadeias de hidrocarbonetos, tornando-as um alvo interessante para o desenvolvimento de processos biotecnológicos.

Uma equipe de pesquisadores em Marburg, Alemanha, liderada pelo cientista do Max Planck Johannes Rebelein, agora forneceu uma visão abrangente sobre a especificidade do substrato e as preferências da nitrogenase. Seus resultados desafiam a compreensão atual das nitrogenases e destacam seu potencial para bioprodução sustentável. A pesquisa foi publicada no periódico Science Advances .

O nitrogênio é um dos principais blocos de construção das nossas células. No entanto, a maior parte do nitrogênio na Terra ocorre como N 2 gasoso e é quimicamente inutilizável pelas células. Apenas uma única família de enzimas é capaz de converter N 2 na forma biodisponível de amônia (NH 3 ): nitrogenases.

Pesquisadores liderados por Johannes Rebelein, do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre em Marburg, descobriram que algumas nitrogenases também podem lidar com outro substrato importante: elas reduzem o gás de efeito estufa CO 2 a hidrocarbonetos (metano, etileno, etano) e ácido fórmico .

Todos esses produtos são potenciais fontes de energia e produtos químicos industrialmente importantes. Com vistas à bioprodução sustentável e neutra em carbono, a equipe queria saber: Quão bem as enzimas conseguem discriminar entre CO 2 e N 2 ? E os microrganismos que crescem em N 2 também reduzem o CO 2 em condições fisiológicas normais?

Para responder a essas perguntas, os pesquisadores se concentraram na bactéria fotossintética Rhodobacter capsulatus, que abriga duas isoenzimas: a nitrogenase de molibdênio (Mo) e a nitrogenase de ferro (Fe), que a bactéria precisa como reserva em caso de deficiência de molibdênio.

Os pesquisadores isolaram ambas as nitrogenases e compararam sua redução de CO 2 usando testes bioquímicos. Eles descobriram que a nitrogenase Fe na verdade reduz o CO 2 três vezes mais eficientemente do que sua contraparte contendo molibdênio e produz ácido fórmico e metano em concentrações atmosféricas de CO 2.

Quando ambas as enzimas receberam CO 2 e N 2 ao mesmo tempo, outra diferença importante se tornou aparente: enquanto a Mo-nitrogenase reduz seletivamente o N 2 , a Fe-nitrogenase tende a escolher o CO 2 como substrato.

"Normalmente, uma velocidade de reação maior em enzimas vem à custa da precisão. Curiosamente, a Mo-nitrogenase é mais rápida e mais seletiva, mostrando sua vantagem na redução de N 2. A menor especificidade da Fe nitrogenase e sua preferência por CO 2 a tornam um ponto de partida promissor para o desenvolvimento de novas CO 2 redutases", diz Frederik Schmidt, aluno de doutorado no laboratório de Johannes Rebelein e coautor do estudo.

A baixa seletividade não foi a única surpresa.

"Analisamos qual fração de elétrons acabou em qual produto e descobrimos que metano e altas concentrações de ácido fórmico derivadas da conversão de CO 2 pela nitrogenase de Fe foram secretadas pelas bactérias mesmo quando nenhum CO 2 adicional foi adicionado à cultura: o CO 2 derivado metabolicamente foi suficiente para conduzir esse processo. Essa descoberta sugere que a redução de CO 2 catalisada pela nitrogenase de Fe pode de fato ser generalizada na natureza", diz Niels Oehlmann, co-primeiro autor do estudo.

Isso também significa que a disponibilidade e a troca de substratos de um carbono provavelmente influenciam comunidades microbianas em diferentes ambientes.

O trabalho desafia a visão tradicional das nitrogenases como verdadeiras enzimas conversoras de nitrogênio. Bactérias fotossintéticas como R. capsulatus, que usam energia luminosa para estimular as nitrogenases a converter o gás de efeito estufa CO 2, podem desempenhar um papel fundamental não apenas em seu impacto ambiental, mas também na mudança social em direção a uma economia circular sustentável, diz Johannes Rebelein.

"A ideia é que possamos armazenar a energia da luz solar capturada pelo aparato fotossintético do microrganismo nos hidrocarbonetos produzidos pela nitrogenase. No futuro, queremos desenvolver ainda mais a nitrogenase de ferro para usá-la para fixação e utilização de CO 2."