A bomba DAB2 em Halothiobacillus neapolitanus captura CO2 sem gastar ATP

Qualquer enzima que transforme uma molécula noutra tende a comportar-se como uma máquina molecular previsível: junta-se o conjunto certo de reagentes e a reacção acontece, movida apenas pela química.

Mas, no interior de uma bactéria do enxofre que “come rocha”, existe uma enzima de captura de carbono que foge a essa regra. Se a carregarmos com CO2 e lhe dermos água, ela fica parada. Só a carga eléctrica da membrana celular a consegue pôr a funcionar.

Micróbios sem luz solar

Estes organismos têm um nome que parece saído de um tabloide: micróbios que comem rocha. Em termos científicos, são quimiolitoautotróficos.

Em vez de dependerem da luz do sol, obtêm energia ao explorar química inorgânica - hidrogénio, compostos de enxofre, ferro, amónia.

Habituaram-se a locais onde quase tudo o resto morreria: fontes hidrotermais quentes, sedimentos ricos em sulfuretos, rocha a quilómetros de profundidade. No conjunto, representam uma fatia enorme da vida microbiana da Terra.

Dois laboratórios alemães uniram esforços para desmontar este enigma. A equipa do Dr. Jan Schuller, na Universidade de Marburgo (Uni Marburg), e a do Dr. Sven Stripp, na Universidade de Potsdam (Uni Potsdam), centraram-se numa espécie apreciadora de enxofre chamada Halothiobacillus neapolitanus.

CO2 e bicarbonato

O dióxido de carbono atravessa as membranas celulares com facilidade - essa parte não é o desafio. A dificuldade surge depois. As células não conseguem usar CO2 directamente na fixação de carbono: precisam primeiro de o converter em bicarbonato.

O bicarbonato tem carga eléctrica, o que impede a sua passagem espontânea através da membrana. Na maioria dos organismos, a solução é gastar ATP, a “moeda” energética da célula, para o bombear para o interior.

Para os micróbios que comem rocha, isso seria incomportável. No seu ambiente, a energia é tão limitada que cada molécula de ATP já tem destino marcado. Um sistema que a consumisse apenas para importar bicarbonato não deixaria margem para o crescimento.

Um estudo de 2019 descreveu uma proteína de duas partes, chamada DAB2, localizada na membrana de H. neapolitanus, que aparentemente conseguia captar CO2 e transformá-lo em bicarbonato sem queimar ATP. Faltava perceber como.

Mapear a máquina

A equipa de Schuller recorreu à microscopia crio-electrónica - que congela rapidamente as proteínas e permite observá-las com detalhe próximo do atómico - para ver a DAB2 de perto. Conseguiram apanhá-la em três “instantâneos”: vazia, a segurar CO2 e com bicarbonato.

O caminho foi atribulado durante semanas. Durante a preparação, a proteína desintegrava-se repetidamente. Para contornar o problema, os investigadores fundiram as duas subunidades numa só construção e colocaram-na num pequeno disco lipídico que imitava uma membrana celular.

A estrutura revelada era um complexo de duas partes: uma subunidade voltada para o interior da célula e outra inserida na membrana.

A componente interna, DabA2, fazia lembrar uma anidrase carbónica - a enzima que interconverte CO2 e bicarbonato. Só que esta era uma versão invulgar.

Um centro activo enterrado

Nas anidrases carbónicas comuns, a “câmara” onde ocorre a reacção está bastante exposta, perto da superfície, permitindo que o CO2 entre e saia com facilidade.

Aqui, a arquitectura é diferente. A câmara de reacção fica enterrada no interior da proteína e só se alcança ao atravessar dois túneis estreitos.

No fundo dessa cavidade está um átomo de zinco. A imagem congelada mostrou algo que nunca tinha sido visto numa anidrase carbónica padrão: duas moléculas de CO2 encaixadas lado a lado.

E havia mais uma estranheza: o elemento estrutural que, noutras anidrases carbónicas, é considerado o gatilho da reacção não existe nesta. No seu lugar está uma leucina - e a leucina não consegue desempenhar essa função.

Energia a partir de gradientes

Essa peça em falta foi a pista decisiva. Para a seguir, o grupo de Stripp aplicou espectroscopia de infravermelhos - uma técnica que acompanha reacções químicas em tempo real ao medir como as moléculas absorvem luz - enquanto adicionava CO2 à proteína.

O resultado foi inesperado. A proteína prendeu o CO2 com força - cerca de dez vezes mais do que um controlo não catalítico - mas não gerou bicarbonato. Limitou-se a ligar-se ao CO2, sem avançar.

Por si só, o complexo é inerte. Tudo indica que precisa de uma diferença de carga eléctrica através da membrana para ser activado - o mesmo gradiente eléctrico que, em praticamente toda a biologia, alimenta a síntese de ATP.

Com isto, surgiu um mecanismo plausível. Estes micróbios parecem aproveitar esse mesmo gradiente de carga, mas canalizam-no através de uma enzima “à medida” em vez de gastarem ATP, explicou Stripp.

Prender o bicarbonato no interior

Até este trabalho, ninguém tinha observado directamente como as bactérias que comem rocha ligam o fluxo de protões à captura de carbono. A maioria das anidrases carbónicas é reversível: tanto converte CO2 em bicarbonato como decompõe bicarbonato de volta em CO2. A DAB2 não se comporta assim.

Os mapas estruturais indicam que o bicarbonato não consegue voltar a encaixar no centro activo no sentido inverso. Só há um percurso funcional: CO2 entra, bicarbonato sai - sem retorno.

É esse o truque. Quando os protões atravessam a membrana, os túneis parecem abrir-se. O centro activo forma apenas bicarbonato e nunca desfaz o produto. Assim, cada molécula de CO2 que entra fica “trancada”, acumulando-se no interior a concentrações muito superiores às do exterior.

Para onde isto aponta

O expediente destes micróbios ficou finalmente à vista. As equipas de Schuller e Stripp mostraram, pela primeira vez, que uma bomba enterrada e controlada (“gated”) numa bactéria do enxofre consegue alimentar a fixação de carbono usando apenas a carga eléctrica da membrana celular. Sem gastar ATP.

O processo não se parece com as bombas de carbono das cianobactérias que já eram conhecidas. Além disso, ajuda a explicar como grandes porções da vida microbiana conseguem persistir em habitats de baixa energia, incluindo o subsolo profundo - onde investigações recentes colocam uma fracção enorme da biomassa da Terra.

As consequências vão além da biologia fundamental. Parentes próximos da DAB2 aparecem em agentes patogénicos humanos como Bacillus anthracis e Vibrio cholerae, nos quais a “recolha” de carbono contribui para a virulência.

Se estas bombas forem alvo de intervenção, os microbiologistas poderão ganhar uma nova via para antibióticos. E o mesmo modelo, usado de forma benigna, poderá inspirar engenheiros a introduzir concentradores de carbono sem ATP em culturas agrícolas ou em micróbios industriais.