Uma equipa da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong avançou a nossa compreensão dos carboxossomas – estruturas em bactérias e algas que fixam carbono. Eles mostraram como estes podem ser purificados e sua estrutura detalhada, abrindo caminho para aplicações potenciais na melhoria da fotossíntese das plantas e do rendimento das colheitas, o que poderia ajudar a aumentar o abastecimento de alimentos e combater o aquecimento global. Seus planos futuros incluem modificar essas estruturas para melhorar sua funcionalidade e integrá-las às plantas para testar sua eficácia no aumento da fotossíntese.
Uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) fez progressos significativos na compreensão dos carboxossomos, que são estruturas em certas bactérias e algas que fixam carbono. Esta descoberta poderá permitir aos investigadores modificar e reutilizar estas estruturas, aumentando a capacidade das plantas de transformar a luz solar em energia. Este avanço pode levar a uma maior fotossíntese eficiência, o que poderia aumentar o abastecimento global de alimentos e ajudar a combater o aquecimento global.
Carboxissomos são pequenos compartimentos em certas bactérias e algas que envolvem enzimas específicas em uma concha feita de proteínas. Eles realizam a fixação de carbono, que é o processo de conversão do dióxido de carbono da atmosfera em compostos orgânicos que podem ser utilizados pela célula para crescimento e energia. Os cientistas têm tentado descobrir como estes compartimentos se unem.
O modelo de automontagem de Proclorococo α-carboxissomo. Crédito: HKUST
Avanço na pesquisa sobre carboxissomas
Em sua pesquisa mais recente, a equipe liderada pelo Prof. Zeng Qinglu, Professor Associado do Departamento de Ciência Oceânica da HKUST, mostrou a arquitetura geral dos carboxissomos purificados de um tipo de bactéria chamada Proclorococo.
Em colaboração com o professor Zhou Cong-Zhao, da Escola de Ciências da Vida da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, a equipe superou uma das maiores dificuldades técnicas na quebra e contaminação celular, que impediria a purificação adequada dos carboxossomos. A equipe também propõe um modelo completo de montagem de α-carboxissomo, que não foi observado em estudos anteriores.
Zeng Qinglu (à direita) e um dos autores do artigo de pesquisa, Sr. Li Haofu (à esquerda), estudante de doutorado no Departamento de Ciência Oceânica, mostrando a amostra de Proclorococo Cultura MED4. Crédito: HKUST
Especificamente, a equipe utilizou microscopia crioeletrônica de partícula única para determinar a estrutura do α-carboxissomo e caracterizar o padrão de montagem do invólucro da proteína, que se parece com uma forma de 20 lados com proteínas específicas dispostas em sua superfície.
Para obter a estrutura do α-carboxissomo mínimo com um diâmetro de 86 nm, eles coletaram mais de 23.400 imagens tiradas do microscópio no HKUST Biological Cryo-EM Center e selecionaram manualmente cerca de 32.000 partículas de α-carboxissomo intactas para análise.
Estrutura Interna e Montagem de Carboxissomos
No interior, as enzimas RuBisCO estão dispostas em três camadas concêntricas, e a equipe de pesquisa também descobriu que uma proteína chamada CsoS2 ajuda a manter tudo unido dentro da casca. Finalmente, as descobertas sugerem que os carboxossomas são unidos de fora para dentro. Isto significa que a superfície interna da casca é reforçada por certas partes da proteína CsoS2, enquanto outras partes da proteína atraem as enzimas RuBisCO e as organizam em camadas.
Com o apoio do Centro Biológico Cryo-EM da HKUST, a equipe utilizou microscopia crioeletrônica de partícula única para determinar a estrutura da casca intacta e caracterizar a arquitetura geral do padrão de montagem de quatro camadas do Proclorococo α-carboxissomo. Crédito: HKUST
Uma das aplicações mais promissoras dos carboxossomos é na biologia sintética de plantas, onde a introdução de carboxossomos nos cloroplastos das plantas como mecanismo de concentração de CO2 pode melhorar a eficiência fotossintética e o rendimento das culturas.
“Nosso estudo desvenda o mistério da montagem do α-carboxissomo a partir de Proclorococo, fornecendo assim novos insights sobre o ciclo global do carbono”, diz o Prof. As descobertas também serão importantes para desacelerar o aquecimento global, diz ele, já que as cianobactérias marinhas fixam 25% do CO2 global. “A nossa compreensão do mecanismo de fixação de CO2 das cianobactérias marinhas permitir-nos-á melhorar a sua taxa de fixação de CO2 para que mais CO2 possa ser removido da atmosfera”, diz ele.
Após este estudo, a equipe planeja apresentar Proclorococo α-carboxissomo em cloroplastos de plantas e investigar se o α-carboxissomo mínimo pode melhorar a eficiência fotossintética em plantas. Eles também planejam modificar os genes do carboxossomo e produzir supercianobactérias geneticamente modificadas que são capazes de fixar dióxido de carbono em taxas muito altas, o que pode ser capaz de desacelerar o aquecimento global.
Referência: “Estrutura e montagem do α-carboxissomo na cianobactéria marinha Prochlorococcus” por Rui-Qian Zhou, Yong-Liang Jiang, Haofu Li, Pu Hou, Wen-Wen Kong, Jia-Xin Deng, Yuxing Chen, Cong-Zhao Zhou e Qinglu Zeng, 8 de abril de 2024, Plantas da Natureza.
DOI: 10.1038/s41477-024-01660-9
