An in vitro platform for the rapid and scalable biocatalysis of complex polyketides

A natureza construiu algumas das fábricas químicas mais sofisticadas conhecidas pela ciência dentro de minúsculas bactérias. Esses organismos microscópicos possuem longas linhas de montagem moleculares feitas de proteína que podem unir blocos de construção simples em estruturas tridimensionais complexas. Essas estruturas, conhecidas como policetídeos, são a fonte de muitos medicamentos que salvam vidas, incluindo antibióticos que combatem infecções e drogas que acalmam o sistema imunológico. Por décadas, cientistas sonharam em retirar essas linhas de montagem naturais das bactérias e colocá-las em um tubo de ensaio. A ideia era operar essas máquinas moleculares diretamente, sem a interferência desordenada de uma célula viva, para criar novos medicamentos de forma mais rápida e limpa. No entanto, as primeiras tentativas de fazer isso falharam. Quando os pesquisadores tentaram rodar essas linhas de montagem fora da célula, elas se moviam tão lentamente que o processo parecia inútil, produzindo quase nada antes que o maquinário parasse de funcionar.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Texas em Austin agora derrubou essa crença de longa data. Eles desenvolveram uma nova maneira de operar essas linhas de montagem moleculares em um tubo de ensaio que é rápida, eficiente e capaz de produzir quantidades significativas de produtos químicos complexos. Ao redesenhar cuidadosamente as partes proteicas da linha de montagem e criar um sistema que repõe constantemente o combustível de que as máquinas precisam, a equipe transformou um processo lento em uma linha de produção rápida. Eles demonstraram que essas máquinas biológicas podem trabalhar tão rápido quanto as fábricas naturais mais eficientes encontradas na natureza, convertendo ingredientes simples em moléculas complexas e semelhantes a fármacos em questão de horas. Esse avanço sugere que os cientistas agora podem construir bibliotecas de novos medicamentos complexos em um ambiente de laboratório, contornando os métodos lentos e caros da síntese química tradicional ou a natureza imprevisível do cultivo de bactérias.

A história começa com um tipo específico de máquina molecular chamada de policetídeo sintase. Na natureza, essas máquinas são como esteiras rolantes massivas feitas de proteína. Elas pegam moléculas pequenas e simples e as ligam em uma ordem precisa para construir estruturas maiores e intrincadas. A ordem das partes na esteira determina a forma e a função do produto final. Por anos, cientistas tentaram usar essas máquinas dentro de bactérias vivas para fabricar medicamentos. Embora isso funcionasse, era difícil de controlar. As bactérias tinham seus próprios processos internos que competiam com a linha de montagem, e era difícil dizer se um baixo rendimento se devia a uma falha na máquina ou ao ambiente da célula. Mover o processo para um tubo de ensaio parecia a solução lógica, pois permitiria aos cientistas controlar cada variável. Mas quando tentaram pela primeira vez, as máquinas eram incrivelmente lentas. Uma tentativa famosa de rodar uma máquina que fabrica um antibiótico chamado eritromicina mostrou que ela se movia em um ritmo glacial, produzindo apenas uma quantidade ínfima de produto antes de parar. Isso levou à suposição generalizada de que essas máquinas complexas simplesmente não funcionavam bem fora de seu lar natural.

Os pesquisadores partiram para provar que essa suposição estava errada. Eles focaram em uma máquina diferente, uma que produz naturalmente um composto chamado narbonolida, que é relacionado ao antibiótico pikromicina. Em vez de usar a versão natural da máquina, que é feita de quatro grandes fios de proteína, eles a decomporam em seis pedaços menores e mais manejáveis. Esse design refatorado tornou mais fácil produzir a máquina no laboratório e montá-la corretamente. Eles então testaram essa nova configuração em uma solução contendo o combustível e os blocos de construção necessários. Inicialmente, a máquina funcionou, mas ainda era lenta demais para ser prática, e o produto que fabricava era frágil, decompondo-se no ambiente químico do tubo de ensaio. A equipe percebeu que a máquina estava lutando contra si mesma. Algumas partes da máquina estavam produzindo subprodutos indesejados e o combustível estava sendo desperdiçado.

Para corrigir isso, os pesquisadores trataram a linha de montagem como um motor complexo que precisava de ajuste. Eles substituíram partes específicas da máquina, trocando conectores genéricos por outros que se ajustavam melhor à tarefa específica. Eles moveram os rótulos usados para identificar as proteínas para diferentes pontos nos fios para ver se ajudava as peças a se unirem de forma mais eficiente. Também adicionaram uma enzima de limpeza especial que atuava como um mecânico, removendo partes defeituosas que, de outra forma, travariam a linha de montagem. Cada pequena mudança tornou a máquina mais rápida. Quando terminaram de otimizar o design, a máquina estava trabalhando a uma velocidade cem vezes maior que a da antiga máquina de eritromicina e comparável à velocidade das fábricas de ácidos graxos naturais mais eficientes encontradas na natureza. Não era mais um experimento lento; era um biocatalisador de alto desempenho.

A peça final do quebra-cabeça era o sistema de combustível. Essas máquinas requerem um suprimento constante de energia e blocos de construção específicos para continuar se movendo. Em uma célula viva, a célula fornece esse combustível automaticamente. Em um tubo de ensaio, o combustível acaba rapidamente. A equipe desenvolveu uma nova plataforma, que chamam de sistema EPK, que atua como uma estação de reabastecimento automático. Este sistema inclui enzimas que regeneram constantemente o combustível e os blocos de construção a partir de ingredientes simples e baratos. Com este sistema em vigor, os pesquisadores puderam rodar uma reação em um pequeno béquer por duas horas à temperatura ambiente. Eles começaram com uma pequena quantidade da máquina e ingredientes simples, e a máquina os converteu em uma grande quantidade do produto final. Em apenas duas horas, produziram o suficiente da substância narbonolida para encher um pequeno frasco, uma quantidade que teria levado dias ou semanas para ser alcançada com métodos anteriores.

O sucesso desta plataforma foi além da fabricação de apenas um composto. Os pesquisadores usaram o mesmo sistema otimizado para construir outros quatro compostos complexos, cada um com uma forma ligeiramente diferente. Como o processo era tão limpo e livre do ruído de uma célula viva, eles foram capazes de isolar esses produtos de forma pura. Isso permitiu que determinassem a estrutura tridimensional exata das moléculas usando cristalografia de raios X, revelando detalhes que nunca haviam sido vistos antes. Um dos compostos que fabricaram possuía uma estrutura que era a imagem especular de um composto conhecido, uma diferença sutil que muitas vezes é perdida em células vivas, mas que ficou claramente visível aqui. A capacidade de produzir essas formas complexas em forma pura abre as portas para a criação de vastas bibliotecas de novas estruturas químicas. Cientistas agora podem misturar e combinar diferentes partes das linhas de montagem para criar milhares de novas variações, testando suas propriedades medicinais sem as restrições do cultivo de bactérias.

Este trabalho muda o cenário de como medicamentos complexos podem ser feitos. Ele prova que a lentidão dessas máquinas moleculares não era uma falha fundamental, mas o resultado de um design deficiente e da falta de sistemas de suporte adequados. Ao reconstruir as máquinas e fornecer-lhes um fluxo constante de combustível, os pesquisadores desbloquearam uma nova maneira de aproveitar as ferramentas sintéticas mais poderosas da natureza. O processo agora é rápido o suficiente para ser prático e limpo o suficiente para produzir materiais de alta qualidade para a descoberta de fármacos. Embora a tecnologia ainda esteja em seus estágios iniciais, os resultados mostram que o futuro da fabricação de medicamentos complexos pode não estar no cultivo de mais bactérias ou na construção de mais plantas químicas, mas no refinamento das linhas de montagem moleculares que a própria natureza já aperfeiçoou. A porta está aberta para explorar um vasto espaço químico, criando novas possibilidades para tratar doenças que têm sido difíceis de alcançar.