Circuito biológico de luz é desvendado por brasileiros

Com informações da Agência Fapesp - 20/05/2011

Pesquisadores brasileiros descobriram um "interruptor" que pode fazer com que algumas enzimas de interesse biomédico e biotecnológico emitam luz.[Imagem: Biolum/UFScar]

Circuito com interruptor

"É como se a enzima protoluciferase fosse um circuito eletrônico, que tem uma bateria, representada pelo oxigênio, e uma lâmpada, que é a luciferina."

É assim que o professor Vadim Viviani, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), explica os últimos resultados das pesquisas de seu grupo com materiais bioluminescentes - materiais biológicos capazes de emitir luz.

"Descobrimos agora um dos principais interruptores presentes na estrutura [dessas enzimas], que é responsável por ligar a bateria à lâmpada. Ou seja, fazer com que a reação da luciferina e do oxigênio ocorra, acendendo a luz," completa.

Este é um passo importante para o uso prático dessas enzimas emissoras de luz, que têm interesse biomédico, biotecnológico e ambiental.

A bioluminescência é a produção e emissão de luz por um organismo vivo, através de uma reação na qual energia química é transformada em energia luminosa.

A propriedade é importante para estudar doenças como o câncer ou infecções bacterianas, por exemplo, e também já foi utilizada na detecção de metais pesados no meio ambiente e até em circuitos integrados bacterianos.

Acendendo enzimas

Os cientistas brasileiros descobriram um dos principais "disjuntores" presentes na "caixa de força" de enzimas com baixa capacidade de luminescência.

Essas enzimas pertencem à mesma classe das luciferases - responsáveis pela emissão de luz fria e visível em vagalumes. E elas podem ser modificadas geneticamente para aumentar sua potência, ou seja a intensidade de sua luz.

Em 2009, o mesmo grupo clonou e isolou da larva de um inseto não luminescente - um besouro - uma enzima da mesma família das luciferases (a AMP-CoA-ligases), fracamente luminescente e conhecida como protoluciferase.

Eles queriam descobrir como as luciferases dos vagalumes desenvolveram a capacidade de catalisar a reação de oxidação da luciferina - o composto responsável pela bioluminescência de insetos - e produzir sua luz visível intensa.

Nos últimos anos, ao comparar as sequências de aminoácidos da protoluciferase com a luciferase, os pesquisadores começaram a identificar partes da estrutura que poderiam estar envolvidas com a determinação da atividade de produzir luz.

Por meio de técnicas de engenharia genética, Rogilene Prado, membro da equipe, realizou mutações de aminoácidos da protoluciferase.

Amplificando a bioluminescência

Agora, o grupo identificou que a mutação de um desses aminoácidos aumenta bastante a atividade luminescente da enzima, tornando-a muito semelhante à de uma luciferase.

Isso abre a possibilidade de tornar bioluminescentes outras enzimas da mesma família, que não emitem luz naturalmente, mas que são de grande interesse tecnológico.

A bioluminescência é a produção e emissão de luz por um organismo vivo, através de uma reação na qual energia química é transformada em energia luminosa. [Imagem: Prado et al./PPS]

Presentes em todos os organismos - das bactérias ao homem - as AMP-CoA-ligases desempenham as mais variadas funções metabólicas, como a biossíntese de pigmentos (em plantas), o metabolismo de lipídeos, a síntese de antibióticos e a eliminação de substâncias tóxicas e compostos químicos estranhos a um organismo ou sistema biológico (xenobióticos).

Em comum, a primeira reação que elas catalisam é a ativação de ácidos orgânicos, como os aminoácidos, ácidos graxos. Ou, no caso do vagalume, a luciferina, que é oxidada pelas luciferases, produzindo luz.

Em função disso, os pesquisadores pretendem utilizá-las como indicadores de determinados ácidos orgânicos de interesse biomédico, como os ácidos tóxicos, e biotecnológicos.

"A capacidade de servir como um indicador para selecionar determinados ácidos orgânicos de interesse farmacêutico e biotecnológico talvez represente o maior potencial de aplicações dessas enzimas", disse Viviani.

A pesquisa abre caminho para tornar luminescentes enzimas que não emitem luz naturalmente, ou amplificar emissões mais fracas. [Imagem: Biota-Biolum]

Reagentes analíticos

Segundo o pesquisador, algumas luciferases de vagalumes norte-americanos, europeus e japoneses já são utilizadas como reagentes analíticos. Elas são usadas para detectar o estado metabólico de uma amostra biológica e biomarcadores de expressão gênica, ou para marcar células de câncer em estudos biofotônicos, por exemplo.

Por meio das pesquisas com o protótipo da enzima luciferase que clonaram e aumentaram a luminescência, os pesquisadores brasileiros pretendem criar por engenharia genética uma nova enzima luciferase que tenha a propriedade de emitir luz comparável às luciferases empregadas atualmente no mercado.

"Com as condições ideais de evolução, essa protoluciferase poderá se transformar em uma luciferase. Estamos simulando a evolução dela em laboratório", disse Vanini.

O grupo de pesquisa da UFSCar é um dos únicos dedicados ao estudo de enzimas luciferases no Brasil. No Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP) há um outro grupo, coordenado pelo professor Cassius Stevani, com o qual eles colaboram, que estuda fungos luminescentes.

Em termos mundiais, segundo Viviani, nenhum grupo conseguiu clonar uma enzima protoluminescente com a capacidade de emitir luz semelhante à do grupo brasileiro.

Bibliografia:

Structural evolution of luciferase activity in Zophobas mealworm AMP/CoA-ligase (protoluciferase) through site-directed mutagenesis of the luciferin binding site
R. A. Prado, J. A. Barbosa, Y. Ohmiya, V. R. Viviani
Photochemical & Photobiological Sciences
19 Apr 2011
Vol.: First published on the web
DOI: 10.1039/C0PP00392A