Estudo na Nature mostra que a natureza tem mais de um caminho para transformar nitrogênio em amônia, base dos fertilizantes.
Um micróbio entre os mais antigos da Terra, incapaz de sobreviver perto de oxigênio, guarda uma enzima com arquitetura que a ciência não conhecia. Pesquisadores da Saint Louis University (SLU), nos Estados Unidos, e da University of Arkansas descreveram essa estrutura em estudo publicado na revista Nature e a chamaram de supercomplexo de nitrogenase. A enzima é a peça central da fixação biológica de nitrogênio, processo que gera amônia, ingrediente básico dos fertilizantes.
Um modelo construído sobre bactérias comuns
A nitrogenase é a enzima que converte o nitrogênio do ar em amônia, forma que as plantas conseguem aproveitar. Durante décadas, o entendimento sobre ela se apoiou no que se observava em bactérias comuns.
“Por décadas, os cientistas se basearam em um modelo de nitrogenase construído a partir do que observamos em bactérias comuns”, afirmou Edwin Antony, professor de bioquímica e biologia molecular da Faculdade de Medicina da SLU e investigador principal do estudo. “Esta descoberta demonstra que a natureza desenvolveu maneiras alternativas de realizar a mesma química, o que nos dá um arcabouço totalmente novo para entender a fixação biológica de nitrogênio.”
Segundo a SLU, a estrutura encontrada contradiz suposições antigas derivadas do funcionamento da enzima nesses organismos mais conhecidos.
Como a enzima foi fotografada sem oxigênio
O trabalho dependeu de uma divisão de tarefas. A equipe da University of Arkansas, liderada por Daniel Lessner, passou vários anos modificando geneticamente o micróbio, que evita oxigênio, e isolando a proteína em seu estado natural. As amostras seguiram então para o laboratório de Antony, na SLU.
O desafio era técnico. Como a proteína é sensível ao oxigênio, os pesquisadores desenvolveram fluxos de trabalho especiais de microscopia crioeletrônica (cryo-EM) que mantiveram condições estritamente anaeróbicas na preparação das grades e na captura das imagens. Cada etapa exigiu engenharia complexa e manuseio meticuloso.
A pós-doutoranda Rajnandani Kashyap, primeira autora e pesquisadora principal, explica a técnica com uma imagem: é como congelar um instante de alguém dançando e fotografar esse mesmo momento milhares de vezes, de ângulos diferentes. Com esse conjunto, ela reconstruiu um modelo tridimensional da enzima.
“Olhando para isso, é a descoberta mais legal da minha vida”, disse Kashyap.
O que isso pode significar para a agricultura
De acordo com a SLU, o achado pode abrir possibilidades biotecnológicas para reduzir custos e poluição ligados à agricultura industrial, além de ter papel em energia verde e até apoiar viagens espaciais a Marte. Esses usos são perspectivas apontadas pelos pesquisadores, não resultados já demonstrados: o estudo descreve a estrutura, e aplicações práticas ainda dependem de novas pesquisas.
O contexto ajuda a dimensionar o interesse. Hoje, a amônia dos fertilizantes industriais é produzida em processos de alto consumo de energia, enquanto a fixação biológica ocorre em temperatura ambiente, por ação de microrganismos. Entender melhor como essas enzimas funcionam é um passo para aproveitá-las de forma mais eficiente.
Por que a Amazônia tem interesse nisso
Para a região amazônica, o tema é próximo. A expansão da agropecuária em estados como Pará, Mato Grosso, Rondônia e Tocantins depende de fertilizantes, em grande parte importados, e os solos amazônicos são em geral pobres em nutrientes. Alternativas que reduzam o uso de adubos químicos tendem a pesar no custo de produção e no impacto ambiental. Vale ressaltar que a pesquisa é básica e não trata de culturas ou condições da região.
Os equipamentos por trás do resultado
A SLU atribui parte do feito a um investimento em infraestrutura. Em acordo de 15 anos firmado em 2019 com a Washington University em St. Louis, o Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular da SLU destinou US$ 2,5 milhões do seu Doisy Fund à compra de um novo microscópio crioeletrônico de US$ 5 milhões. Em contrapartida, os pesquisadores da SLU usam o equipamento e o Washington University Center of Cellular Imaging (WUCCI).
Enrico Di Cera, chefe do departamento, afirma que o investimento gerou mais de US$ 22 milhões em financiamento federal, dezenas de publicações em revistas de ponta e novas contratações. “Esta foi e continua sendo uma história de sucesso exemplar”, disse.
Antony e Kashyap também destacam o apoio personalizado a estudantes, que lhes permite participar de pesquisas de fronteira. “Como jovens investigadores, temos energia para levar adiante projetos desafiadores e enfrentar perguntas difíceis”, disse Kashyap. “Exige muito trabalho, tempo e esforço, mas não devemos ter medo… eles vão recompensar você a longo prazo.”
Financiamento e próximos passos
A pesquisa teve financiamento do Departamento de Energia dos Estados Unidos e resulta da colaboração entre a SLU e a University of Arkansas. O artigo completo está disponível na página da Nature. O próximo passo será investigar como esse arranjo molecular influencia o funcionamento da enzima e se ele pode orientar o desenvolvimento de novas aplicações biotecnológicas.
Com informações de Saint Louis University.
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