Laboratório do governo americano mostra detalhes de como a enzima trabalha para quebrar a celuloseGraças a uma nova geração de supercomputadores mais velozes, as atuais simulações por computador vêm abrindo mundos até então desconhecidos a cientistas de todas as áreas. Essas potentes máquinas são usadas para tudo: desde entender o funcionamento das proteínas até responder perguntas sobre a origem das galáxias. E os dados que às vezes geram chegam a surpreender até os pesquisadores que estão diante da tela, como aconteceu recentemente no Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
"O que eu vi foi algo completamente inesperado", disse o engenheiro do laboratório.
Graças a uma nova geração de supercomputadores mais velozes, as atuais simulações por computador vêm abrindo mundos até então desconhecidos a cientistas de todas as áreas. Essas potentes máquinas são usadas para tudo: desde entender o funcionamento das proteínas até responder perguntas sobre a origem das galáxias. E os dados que às vezes geram chegam a surpreender até os pesquisadores que estão diante da tela, como aconteceu recentemente no Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
"O que eu vi foi algo completamente inesperado", diz Gregg Beckham, engenheiro do laboratório.
Beckham ficou espantado com uma simulação computadorizada da enzima Cel7A, encontrada no fungo Trichoderma reesei. Ela mostrava que a parte da enzima conhecida como vinculador (linker, em inglês) talvez tenha um papel importante na quebra da biomassa em açúcares – usados para fabricar combustíveis alternativos.
"Uns anos atrás, nós resolvemos fazer uma simulação realmente longa – longa aqui significando um microssegundo – de uma enzima inteira na superfície da celulose", conta Beckham. "Percebemos que o vinculador da enzima começava a ligar-se à celulose. Na verdade, o vinculador inteiro ligava-se à superfície da celulose."
"Por décadas, muita gente achou esses vinculadores uma coisa chata", diz Beckham. "De fato, nós prefiguramos que os vinculadores por si atuam como se fossem um macarrão úmido: são bastante flexíveis e, ao contrário do domínio catalítico e do módulo de ligação, não tinham uma estrutura conhecida e bem definida. Mas a simulação por computador sugere que o vinculador possui uma outra função além de conectar o módulo de ligação ao domínio catalítico; talvez tenha alguma função de ligação com a celulose também."
A celulose é uma longa cadeia linear de glicose e componente principal das paredes celulares das plantas. As ligações entre as moléculas de glicose, no entanto, tornam-na bastante resistente, difícil de quebrar. Em folhas fossilizadas, por exemplo, a celulose pode permanecer intacta por milhões de anos. Mas as enzimas evoluíram a fim de quebrar essa biomassa em açúcares, e o fazem introduzindo um segmento de celulose em seu próprio domínio catalítico, como um fio de costura, e rompendo as ligações que mantêm as moléculas de glicose unidas. Os cientistas se interessam pelas enzimas de fungos como o Trichoderma reesei porque elas são bastante eficazes na quebra da biomassa – e também porque os fungos produzem bastante proteína, o que também é importante para a conversão da biomassa.
Para fabricar um combustível alternativo como o etanol celulósico ou combustíveis hidrocarbonetos drop-in (para uso direto em motores convencionais), é preciso submeter a biomassa a um pré-tratamento com ácido, água quente ou algum outro componente químico, aquecendo o composto de forma a abrir as paredes celulares. Em seguida acrescenta-se as enzimas para quebrar a celulose em glicose, a qual é fermentada e convertida em combustível.
Clique na imagem para iniciar o vídeo:
Vídeo acima mostra imagens da simulação do computador com a enzima do fungu Trichoderma reesei (Cel7A). A simulação mostra que uma parte da enzima, o vinculador, pode desempenhar um papel importante na quebra da biomassa em açúcares. Vídeo por Christina M. Payne and Gregg T. Beckham, NREL.
"No começo nós não acreditamos, achamos que havia alguma coisa errada. Aí uma colega nossa, a Christina Payne [que já trabalhou no NREL e hoje dá aulas de química na Universidade do Kentucky], fez outra simulação com a segunda enzima mais abundante no Trichoderma reesei, a Cel6A", explica Beckham. "E encontramos exatamente o mesmo resultado."
"Muitas equipes de pesquisa vêm manipulando molecularmente os domínios catalíticos e os módulos de ligação, mas esse resultado talvez indique que também devamos levar em consideração as funções dos vinculadores. Agora sabemos que eles são importantes para a ligação, e sabemos que a ligação é importante para a atividade. Mas várias questões permanecem sem resposta e a equipe está se debruçando sobre elas", acrescenta o pesquisador.
A equipe do NREL confirmou experimentalmente as previsões computadorizadas num trabalho em parceria com pesquisadores de outras instituições (Universidade do Colorado-Boulder, Faculdade Sueca de Agronomia e Universidade de Gante, da Bélgica). Usando proteínas fabricadas e caracterizadas pela equipe internacional do projeto, Michael Resch, do NREL, mensurou a afinidade de ligação do módulo de ligação e depois a comparou com a do módulo de ligação acrescido do vinculador, demonstrando que o vinculador conferia maior magnitude à afinidade de ligação da celulose.
Esses resultados foram publicados recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), publicação oficial da Academia de Ciências norte-americana. Além de Beckham, Payne e Resch, também foram coautores do estudo: Liqun Chen e Zhongping Tan (Universidade do Colorado-Boulder); Michael F. Crowley, Michael E. Himmel e Larry E. Taylor II (NREL); Mats Sandgren e Jerry Ståhlberg (Faculdade Sueca de Agronomia); e Ingeborg Stals (Universidade de Gante).
"Em matéria de combustíveis, mesmo um pequeno aprimoramento nessas enzimas possibilitaria uma redução no volume utilizado para produção. Numa escala de commodities, há potencial para enormes economias, que podem ajudar a dar competitividade para os combustíveis renováveis", diz Beckham.
Aprimorar essas enzimas, segundo Beckham, é um grande desafio, mas imensamente importante para viabilizar o custo de produção dos biocombustíveis – algo que o DoE há muito reconheceu. "Ainda estamos destrinchando vários dos mecanismos básicos", diz. "Nosso último estudo, por exemplo, sugere essa nova faceta de como essas enzimas funcionam e mais um foco para o aprimoramento delas."
O trabalho do NREL está sendo financiado pelo Escritório de Tecnologias de Bioenergia do Departamento de Energia, e os computadores foram fornecidos pelo DoE e pela Fundação Nacional de Ciências (NSF). A simulação original foi realizada num supercomputador chamado Athena, que integra o sistema virtual Xsede (Extreme Science and Engineering Discovery Environment/NSF), no Instituto Nacional de Ciências da Computação. Para as simulações subsequentes usou-se o supercomputador Red Mesa do Sandia National Laboratories.
A equipe de pesquisadores começou a conduzir outras simulações com celulase no novo supercomputador Peregrine do NREL.
"O Peregrine será incrivelmente útil para continuar esse trabalho porque há muitas facetas que ainda estamos tentando entender", afirma Beckham. "Ainda estamos tentando entender com maior detalhe a forma como o módulo de ligação adere à celulose, de que forma a reação química ocorre nos domínios catalíticos dessas enzimas e como as cadeias se introduzem nas enzimas – e tudo isso para essa única enzima."
"Publicamos recentemente um estudo sobre uma enzima de um crustáceo chamado 'gribble' [isópodo marinho da família Limnoriidae], que se alimenta de madeira, com colaboradores das Universidades de Portsmouth e York, na Inglaterra. O domínio catalítico do gribble é parecido, mas tem algumas diferenças fundamentais. Agora estamos usando supercomputadores e experimentos para entender as diferenças entre a celulase dos animais e dos fungos."
Esses tipos de resultado demonstram que os supercomputadores são uma ferramenta de pesquisa essencial, que seguirá abrindo as portas para descobertas e revelando algumas surpresas pelo caminho.
"Quando começamos, não partimos dessa hipótese de que os vinculadores se ligavam. Só estávamos tentando ver de que forma a enzima se comporta na superfície", diz Beckham. "Nosso achado foi pura 'serendipidade', mas de fato mostra o valor dessas simulações por computador. Elas nos permitem olhar para as coisas com um microscópio molecular e entender como as enzimas funcionam, muitas vezes prefigurando novas características que nunca havíamos imaginado."
Fonte: NREL
Tradução e adaptação: NovaCana
"O que eu vi foi algo completamente inesperado", disse o engenheiro do laboratório.
Graças a uma nova geração de supercomputadores mais velozes, as atuais simulações por computador vêm abrindo mundos até então desconhecidos a cientistas de todas as áreas. Essas potentes máquinas são usadas para tudo: desde entender o funcionamento das proteínas até responder perguntas sobre a origem das galáxias. E os dados que às vezes geram chegam a surpreender até os pesquisadores que estão diante da tela, como aconteceu recentemente no Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
"O que eu vi foi algo completamente inesperado", diz Gregg Beckham, engenheiro do laboratório.
Beckham ficou espantado com uma simulação computadorizada da enzima Cel7A, encontrada no fungo Trichoderma reesei. Ela mostrava que a parte da enzima conhecida como vinculador (linker, em inglês) talvez tenha um papel importante na quebra da biomassa em açúcares – usados para fabricar combustíveis alternativos.
"Uns anos atrás, nós resolvemos fazer uma simulação realmente longa – longa aqui significando um microssegundo – de uma enzima inteira na superfície da celulose", conta Beckham. "Percebemos que o vinculador da enzima começava a ligar-se à celulose. Na verdade, o vinculador inteiro ligava-se à superfície da celulose."
Um curioso trabalho em equipe
As enzimas investigadas pelos pesquisadores do NREL contêm vários componentes que atuam em conjunto para quebrar a biomassa. De um lado possuem um domínio catalítico, a parte principal da enzima que de fato realiza a quebra do material em açúcar. E de outro um módulo de ligação, a parte grudenta que prende a celulose na esfera catalítica. O domínio catalítico e o módulo de ligação são conectados entre si por um vinculador (linker)."Por décadas, muita gente achou esses vinculadores uma coisa chata", diz Beckham. "De fato, nós prefiguramos que os vinculadores por si atuam como se fossem um macarrão úmido: são bastante flexíveis e, ao contrário do domínio catalítico e do módulo de ligação, não tinham uma estrutura conhecida e bem definida. Mas a simulação por computador sugere que o vinculador possui uma outra função além de conectar o módulo de ligação ao domínio catalítico; talvez tenha alguma função de ligação com a celulose também."
A celulose é uma longa cadeia linear de glicose e componente principal das paredes celulares das plantas. As ligações entre as moléculas de glicose, no entanto, tornam-na bastante resistente, difícil de quebrar. Em folhas fossilizadas, por exemplo, a celulose pode permanecer intacta por milhões de anos. Mas as enzimas evoluíram a fim de quebrar essa biomassa em açúcares, e o fazem introduzindo um segmento de celulose em seu próprio domínio catalítico, como um fio de costura, e rompendo as ligações que mantêm as moléculas de glicose unidas. Os cientistas se interessam pelas enzimas de fungos como o Trichoderma reesei porque elas são bastante eficazes na quebra da biomassa – e também porque os fungos produzem bastante proteína, o que também é importante para a conversão da biomassa.
Para fabricar um combustível alternativo como o etanol celulósico ou combustíveis hidrocarbonetos drop-in (para uso direto em motores convencionais), é preciso submeter a biomassa a um pré-tratamento com ácido, água quente ou algum outro componente químico, aquecendo o composto de forma a abrir as paredes celulares. Em seguida acrescenta-se as enzimas para quebrar a celulose em glicose, a qual é fermentada e convertida em combustível.
Clique na imagem para iniciar o vídeo:
Vídeo acima mostra imagens da simulação do computador com a enzima do fungu Trichoderma reesei (Cel7A). A simulação mostra que uma parte da enzima, o vinculador, pode desempenhar um papel importante na quebra da biomassa em açúcares. Vídeo por Christina M. Payne and Gregg T. Beckham, NREL.
Ver para (não) crer
Beckham e seus colegas ficaram empolgados com o que viram na simulação, mas não faltou também um pouco de apreensão."No começo nós não acreditamos, achamos que havia alguma coisa errada. Aí uma colega nossa, a Christina Payne [que já trabalhou no NREL e hoje dá aulas de química na Universidade do Kentucky], fez outra simulação com a segunda enzima mais abundante no Trichoderma reesei, a Cel6A", explica Beckham. "E encontramos exatamente o mesmo resultado."
"Muitas equipes de pesquisa vêm manipulando molecularmente os domínios catalíticos e os módulos de ligação, mas esse resultado talvez indique que também devamos levar em consideração as funções dos vinculadores. Agora sabemos que eles são importantes para a ligação, e sabemos que a ligação é importante para a atividade. Mas várias questões permanecem sem resposta e a equipe está se debruçando sobre elas", acrescenta o pesquisador.
A equipe do NREL confirmou experimentalmente as previsões computadorizadas num trabalho em parceria com pesquisadores de outras instituições (Universidade do Colorado-Boulder, Faculdade Sueca de Agronomia e Universidade de Gante, da Bélgica). Usando proteínas fabricadas e caracterizadas pela equipe internacional do projeto, Michael Resch, do NREL, mensurou a afinidade de ligação do módulo de ligação e depois a comparou com a do módulo de ligação acrescido do vinculador, demonstrando que o vinculador conferia maior magnitude à afinidade de ligação da celulose.
Esses resultados foram publicados recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), publicação oficial da Academia de Ciências norte-americana. Além de Beckham, Payne e Resch, também foram coautores do estudo: Liqun Chen e Zhongping Tan (Universidade do Colorado-Boulder); Michael F. Crowley, Michael E. Himmel e Larry E. Taylor II (NREL); Mats Sandgren e Jerry Ståhlberg (Faculdade Sueca de Agronomia); e Ingeborg Stals (Universidade de Gante).
"Em matéria de combustíveis, mesmo um pequeno aprimoramento nessas enzimas possibilitaria uma redução no volume utilizado para produção. Numa escala de commodities, há potencial para enormes economias, que podem ajudar a dar competitividade para os combustíveis renováveis", diz Beckham.
Aprimorar essas enzimas, segundo Beckham, é um grande desafio, mas imensamente importante para viabilizar o custo de produção dos biocombustíveis – algo que o DoE há muito reconheceu. "Ainda estamos destrinchando vários dos mecanismos básicos", diz. "Nosso último estudo, por exemplo, sugere essa nova faceta de como essas enzimas funcionam e mais um foco para o aprimoramento delas."
O trabalho do NREL está sendo financiado pelo Escritório de Tecnologias de Bioenergia do Departamento de Energia, e os computadores foram fornecidos pelo DoE e pela Fundação Nacional de Ciências (NSF). A simulação original foi realizada num supercomputador chamado Athena, que integra o sistema virtual Xsede (Extreme Science and Engineering Discovery Environment/NSF), no Instituto Nacional de Ciências da Computação. Para as simulações subsequentes usou-se o supercomputador Red Mesa do Sandia National Laboratories.
A equipe de pesquisadores começou a conduzir outras simulações com celulase no novo supercomputador Peregrine do NREL.
"O Peregrine será incrivelmente útil para continuar esse trabalho porque há muitas facetas que ainda estamos tentando entender", afirma Beckham. "Ainda estamos tentando entender com maior detalhe a forma como o módulo de ligação adere à celulose, de que forma a reação química ocorre nos domínios catalíticos dessas enzimas e como as cadeias se introduzem nas enzimas – e tudo isso para essa única enzima."
"Publicamos recentemente um estudo sobre uma enzima de um crustáceo chamado 'gribble' [isópodo marinho da família Limnoriidae], que se alimenta de madeira, com colaboradores das Universidades de Portsmouth e York, na Inglaterra. O domínio catalítico do gribble é parecido, mas tem algumas diferenças fundamentais. Agora estamos usando supercomputadores e experimentos para entender as diferenças entre a celulase dos animais e dos fungos."
Esses tipos de resultado demonstram que os supercomputadores são uma ferramenta de pesquisa essencial, que seguirá abrindo as portas para descobertas e revelando algumas surpresas pelo caminho.
"Quando começamos, não partimos dessa hipótese de que os vinculadores se ligavam. Só estávamos tentando ver de que forma a enzima se comporta na superfície", diz Beckham. "Nosso achado foi pura 'serendipidade', mas de fato mostra o valor dessas simulações por computador. Elas nos permitem olhar para as coisas com um microscópio molecular e entender como as enzimas funcionam, muitas vezes prefigurando novas características que nunca havíamos imaginado."
Fonte: NREL
Tradução e adaptação: NovaCana
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