Expanding the flavonoid production in Acinetobacter baylyi ADP1 from lignin-derived aromatics

As plantas são mestres químicos, constantemente elaborando moléculas complexas que as protegem do sol, combatem infecções e conferem-lhes cores. Entre essas criações químicas estão os flavonoides, uma família diversificada de compostos encontrados em frutas, vegetais e flores. Os seres humanos há muito valorizam essas substâncias por seus potenciais benefícios à saúde, utilizando-as em alimentos, medicamentos e cosméticos. Durante décadas, as principais formas de obter flavonoides foram extraí-los de plantas ou construí-los do zero em um laboratório. Ambos os métodos apresentam desvantagens significativas: a extração de culturas agrícolas é frequentemente ineficiente e limitada pelas estações, enquanto a síntese química pode ser dispendiosa e ambientalmente desgastante.

Nos últimos anos, cientistas voltaram-se para micróbios, pequenas fábricas vivas, para produzir esses compostos. Ao inserir genes de plantas em bactérias ou leveduras, pesquisadores podem programar essas células para fabricar flavonoides específicos. No entanto, a maioria dessas fábricas microbianas é alimentada com açúcares simples, como a glicose. Para transformar açúcar em um flavonoide, o micróbio deve primeiro construir uma estrutura de anel aromático complexa do zero, um processo que exige muitas etapas genéticas e consome muita energia da célula. Isso torna o processo longo e difícil de controlar. Uma abordagem mais direta seria alimentar os micróbios com os blocos de construção aromáticos de que precisam, contornando a fase inicial de construção. A natureza fornece esses blocos em abundância dentro da lignina, um polímero lenhoso e resistente que confere rigidez às árvores. Quando a madeira é decomposta, ela libera uma mistura de compostos aromáticos que são quimicamente muito semelhantes aos precursores que as plantas usam para fazer flavonoides. O desafio tem sido encontrar um micróbio que não apenas consiga "comer" esses compostos aromáticos resistentes, mas também suporte as condições severas de decomposição da madeira, tudo isso sendo fácil de manipular geneticamente para a produção.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tampere, na Finlândia, abordou com sucesso esse desafio ao recorrer a uma bactéria chamada Acinetobacter baylyi ADP1. Diferente das bactérias comuns de laboratório frequentemente usadas nesses estudos, este organismo possui naturalmente a maquinaria para consumir uma ampla variedade de compostos aromáticos encontrados na madeira. Os pesquisadores buscaram verificar se poderiam aproveitar essa habilidade natural para transformar materiais derivados de lignina diretamente em flavonoides valiosos. O objetivo era criar uma plataforma microbiana única que pudesse produzir diferentes tipos de flavonoides simplesmente mudando o tipo de alimento derivado de madeira fornecido, sem a necessidade de reconfigurar o código genético da bactéria para cada novo produto.

A equipe começou testando se conseguiria fazer a bactéria produzir homoeriodictiol, um flavonoide específico frequentemente usado na alimentação e medicina. Esta molécula é tipicamente feita a partir de um precursor chamado ferulato. Os pesquisadores primeiro tentaram ajustar as enzimas existentes da bactéria para aceitar o ferulato, esperando que um pequeno ajuste genético permitisse à célula processar esse novo ingrediente. Eles alteraram partes específicas da enzima responsável pela construção da estrutura do flavonoide, mas essas mudanças não funcionaram; a bactéria não conseguiu produzir a molécula desejada. Percebendo que ajustes menores eram insuficientes, os pesquisadores mudaram sua estratégia. Em vez de modificar a enzima existente, procuraram por uma versão diferente da enzima de uma espécie de planta distinta que fosse naturalmente capaz de lidar com o ferulato. Eles encontraram uma correspondência em uma planta chamada Stenoloma chusanum. Quando substituíram a enzima bacteriana original por esta nova enzima vegetal, a bactéria começou imediatamente a produzir homoeriodictiol. Essa descoberta destacou um princípio fundamental: às vezes, a solução mais eficaz não é forçar uma ferramenta existente a realizar um novo trabalho, mas sim encontrar uma ferramenta que já foi projetada para isso.

Com essa nova combinação de enzimas em vigor, os pesquisadores otimizaram as condições de cultivo para maximizar a produção. Eles descobriram que a bactéria performava melhor quando alimentada com uma quantidade moderada do precursor e cultivada em uma temperatura específica. Sob essas condições, a bactéria produziu 3,7 miligramas por litro de homoeriodictiol em um frasco. Mas a equipe não parou por aí. Eles queriam ver se essa mesma configuração poderia produzir outros flavonoides. Introduziram um composto aromático diferente, o cafeato, no cultivo. Surpreendentemente, a exata mesma linhagem de bactéria, com a exata mesma configuração genética, mudou de marcha e começou a produzir um flavonoide diferente chamado eriodictiol. Neste caso, a bactéria produziu 24,2 miligramas por litro, uma quantidade significativamente maior do que a anterior. Isso demonstrou que a produção da bactéria era inteiramente ditada pelo alimento que lhe era dado. Se alimentada com ferulato, produzia um produto; se alimentada com cafeato, produzia outro.

Para testar o sistema sob condições mais realistas, os pesquisadores moveram a bactéria para um biorreator, um recipiente maior usado para fermentação em escala industrial. Eles alimentaram a bactéria com uma mistura de três compostos aromáticos diferentes encontrados na madeira: ferulato, cafeato e p-cumarato. A bactéria converteu com sucesso essa "sopa" mista em um coquetel de três flavonoides simultaneamente. Embora a quantidade total de produto tenha sido menor do que quando alimentada com um único ingrediente, provavelmente porque as diferentes vias competiam por recursos, o resultado provou que o sistema podia lidar com misturas complexas. Este é um passo crucial, pois o resídu de madeira do mundo real nunca é um composto puro, mas sim uma mistura complexa.

Finalmente, a equipe testou o sistema com subprodutos industriais reais. Eles pegaram palha de trigo e um tipo de madeira processada chamada lignina organossolv, trataram-nas com um processo químico para decompô-las e coletaram o líquido resultante. Este líquido, conhecido como licor de pré-tratamento alcalino, contém uma mistura natural de compostos aromáticos, mas também muitas outras impurezas que podem ser tóxicas para a maioria das bactérias. Os pesquisadores adicionaram esse líquido complexo aos seus cultivos bacterianos. Apesar do ambiente caótico e desafiador, as bactérias prosperaram e produziram flavonoides. Elas converteram com sucesso os compostos encontrados nos licores de palha de trigo e de lignina nas moléculas alvo, provando que o sistema funciona não apenas com produtos químicos puros em laboratório, mas com os fluxos de resíduos reais gerados pelas indústrias florestal e agrícola.

O estudo conclui que a Acinetobacter baylyi ADP1 é uma plataforma altamente versátil para a manufatura sustentável. Ao alavancar a capacidade natural da bactéria de consumir compostos aromáticos, os pesquisadores contornaram a necessidade de as bactérias construírem essas estruturas do zero. Essa abordagem permite um sistema de produção flexível onde o produto final é determinado pelo substrato. Se uma fábrica tiver um excedente de um tipo de composto derivado de madeira, as bactérias podem ser alimentadas com ele para produzir um flavonoide específico; se o suprimento mudar, a mesma bactéria pode ser alimentada com um composto diferente para produzir um produto distinto, tudo isso sem nova engenharia genética. Este trabalho estabelece uma ligação direta entre a valorização da lignina, um material frequentemente queimado para combustível, e a produção de produtos naturais de alto valor, oferecendo um caminho promissor para uma bioeconomia mais circular e eficiente.