Isolation of oxygen-dependent nicotine- and pseudooxynicotine-metabolizing enzymes

Por décadas, cientistas têm buscado uma maneira biológica de quebrar o domínio do vício em nicotina. A ideia é simples: se você pudesse introduzir uma enzima no corpo que destruísse rapidamente a nicotina antes que ela chegasse ao cérebro, o desejo de fumar poderia desaparecer. A natureza já forneceu um candidato para esse trabalho. Uma bactéria encontrada no solo, Pseudomonas putida, produz uma enzima chamada NicA2 que pode converter nicotina em uma substância inofensiva. No entanto, esta versão natural possui uma falha importante. Dentro da bactéria, a enzima funciona como uma máquina especializada que precisa de um parceiro específico, uma pequena proteína chamada citocromo, para funcionar. Sem esse parceiro, a enzima é incrivelmente lenta, reagindo com o oxigênio de forma tão morosa que exigiria doses massivas e impraticáveis para funcionar em um paciente humano. Pesquisadores tentaram corrigir isso ajustando a estrutura da enzima em laboratório, tornando-a mais rápida, mas bateram de frente com um muro. A enzima simplesmente se recusa a ficar muito mais rápida ao usar o oxigênio por conta própria.

Para encontrar uma solução melhor, uma equipe de pesquisadores decidiu parar de tentar consertar a máquina antiga e, em vez disso, procurar por uma nova inteiramente. Eles foram caçar no solo e nos resíduos de tabaco por bactérias que pudessem comer nicotina como sua única fonte de alimento, esperando encontrar uma enzima naturalmente evoluída que funcionasse eficientemente com o oxigênio. Eles encontraram exatamente o que procuravam em uma linhagem de bactéria chamada Peribacillus frigoritolerans NIC8. Este micro-organismo, isolado de um cigarro não fumado, possui um conjunto único de enzimas que atuam como verdadeiros oxidadores. Diferente da lenta e dependente de parceiros NicA2, essas novas enzimas, chamadas Ncox e Pnox, podem capturar a nicotina e seu primo químico, a pseudooxinicotina, e decompô-los rapidamente usando apenas o oxigênio do ar. A velocidade com que trabalham é quase mil vezes mais rápida que a original NicA2 quando o oxigênio é o combustível, oferecendo um novo caminho promissor para o tratamento do vício.

A jornada começou com uma observação simples. Os pesquisadores coletaram amostras de campos de tabaco e bitucas de cigarro, colocando-as em placas onde a nicotina era o único alimento disponível. A maioria das bactérias passou fome, mas uma colônia cresceu robustamente. A análise genética identificou esse sobrevivente como uma linhagem de Peribacillus frigoritolerans, uma espécie anteriormente conhecida por existir, mas não conhecida por comer nicotina. Quando os pesquisadores removeram um anel específico de DNA de 123.000 pares de bases, conhecido como plasmídeo, do organismo, a bactéria perdeu imediatamente a capacidade de crescer com nicotina. Isso provou que o segredo de sua dieta estava codificado nesse pedaço extra de material genético. Dentro desse plasmídeo, a equipe encontrou dois genes situados um ao lado do outro, que nomearam como ncox e pnox. Esses genes produziam enzimas que pareciam semelhantes à famosa NicA2, mas eram distintas o suficiente para sugerir que haviam evoluído separadamente.

Para entender como essas enzimas funcionavam, a equipe as produziu em laboratório usando a bactéria E. coli e as observou em ação. Eles observaram que, quando a enzima Ncox encontrava a nicotina, ela mudava de amarelo para transparente quase instantaneamente, um sinal visual de que estava alterando quimicamente a nicotina. A enzima Pnox fez o mesmo ao encontrar a pseudooxinicotina, uma substância que se forma naturalmente quando o primeiro produto da decomposição da nicotina fica exposto ao ar. Crucialmente, nenhuma das enzimas precisava de uma proteína parceira para fazer isso; elas trabalhavam diretamente com o oxigênio do ar. Quando os pesquisadores mediram a velocidade dessa reação, descobriram que a Ncox podia processar a nicotina a uma taxa de 7,7 vezes por segundo, enquanto a Pnox processava seu alvo a 3,9 vezes por segundo. Esses números são vastamente superiores aos da NicA2 original, que consegue realizar apenas cerca de 0,007 reações por segundo quando deixada para trabalhar sozinha com o oxigênio.

Os pesquisadores também observaram como essas enzimas lidam com a própria molécula de oxigênio. Em um processo chamado cinética transitória, eles misturaram as enzimas com oxigênio em uma máquina de fluxo rápido para medir a velocidade exata da reação. Descobriram que a Ncox e a Pnox reagem com o oxigênio a taxas de 51.100 e 81.000 por segundo por unidade de concentração, respectivamente. Essas taxas são comparáveis a outras enzimas altamente eficientes na natureza que são conhecidas como verdadeiros oxidadores, e são milhares de vezes mais rápidas que a NicA2. Isso confirmou que as novas enzimas não são apenas versões ligeiramente melhoradas das antigas, mas máquinas fundamentalmente diferentes projetadas pela evolução para trabalhar em um ambiente rico em oxigênio sem precisar de um parceiro citocromo.

Para provar que essas enzimas poderiam realmente substituir o parceiro ausente em um sistema biológico, a equipe realizou um experimento de resgate. Eles pegaram uma linhagem da bactéria original Pseudomonas putida que havia sido modificada geneticamente para carecer de seu parceiro citocromo, tornando-a incapaz de comer nicotina. Quando deram a essa bactéria debilitada o gene para a nova enzima Ncox, a bactéria recuperou imediatamente a capacidade de crescer com nicotina. Na verdade, a bactéria cresceu mais rápido com a nova enzima Ncox do que com a melhor versão da antiga NicA2 evoluída em laboratório. Isso demonstrou que a nova enzima poderia funcionar de forma independente e eficiente em um sistema vivo, contornando a necessidade da complexa maquinaria celular que a enzima original exigia.

O estudo também revelou como a bactéria regula essas enzimas. Ao comparar a atividade genética da bactéria quando cultivada com nicotina versus quando cultivada com outra fonte de alimento, os pesquisadores viram que os genes para Ncox e Pnox eram ativados intensamente quando a nicção estava presente. Isso sugere que a bactéria utiliza naturalmente essas enzimas para digerir a nicotina quando a encontra em seu ambiente. A análise genética mostrou ainda que essas enzimas provavelmente evoluíram de um ancestral comum encontrado em outras bactérias, mas seguiram um caminho evolutivo diferente daquela encontrada nas bactérias do solo. Enquanto a NicA2 permaneceu ligada ao sistema de citocromo, essas novas enzimas do Peribacillus evoluíram para usar o oxigênio diretamente, talvez porque o ambiente específico que habitam favorecesse esse método mais simples e rápido.

As implicações desta descoberta são significativas para o futuro do tratamento da dependência. O objetivo principal de usar enzimas para tratar o vício em nicotina é limpar a droga do sangue rapidamente o suficiente para evitar que o cérebro sinta o efeito de euforia. A enzima NicA2 original era lenta demais para fazer isso sem exigir doses enormes que seriam difíceis e caras de produzir. A nova enzima Ncox, com sua capacidade de trabalhar rapidamente com o oxigênio, oferece uma solução muito mais prática. É uma ferramenta naturalmente existente, altamente eficiente, que não requer os complexos parceiros celulares que limitam o desempenho de suas predecessoras. Embora os pesquisadores observem que a enzima ainda precisa de mais testes para ver se pode ser otimizada para uso humano, a descoberta fornece um novo e poderoso candidato que a natureza já refinou para trabalhar na velocidade necessária para um efeito terapêutico.