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Bactéria Cyanothece converte luz do dia em energia

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Pesquisadores da Universidade de Washington, em St. Louis, EUA, observaram de forma detalhada como os ritmos circadianos (período de aproximadamente um dia sobre o qual se baseia todo o ciclo biológico do corpo humano e de qualquer outro ser vivo, influenciado pela luz solar) comandam a expressão genética na Cyanothece, um tipo de cianobactéria (uma alga azul esverdeada) conhecido por fazer a fotossíntese durante o dia e fixar nitrogênio durante a noite.

Esse estudo mostra que a Cyanothece, durante o dia, aumenta a expressão de genes que comandam a fotossíntese e a produção de açúcar, fato já esperado pelos pesquisadores. Durante a noite, contudo, há também um acréscimo por parte da Cyanothece em relação à expressão dos genes que processam um elevado número de mecanismos vitais, incluindo o metabolismo energético, a fixação de nitrogênio, a respiração, a tradução do RNA mensageiro em proteínas e a sua conversão em elementos necessários ao seu organismo. Os resultados têm implicações para a produção energética e para o armazenamento de combustíveis biológicos limpos e alternativos. A pesquisa, que foi publicada nos Proceedings of the National Academy of Science, em abril do corrente ano, e financiada pelo Ministério Energético norte-americano, faz parte de um grande projeto, administrado pelas Ciências Moleculares e Ambientais.    A Cyanothece é uma bactéria unicelular que pode capturar a energia da luz e igualmente fixar o nitrogênio atmosférico. Como parte de um ciclo diurno diário, ela armazena os produtos da fotossíntese e o nitrogênio, de modo que possam ser usados num momento de necessidade. Essa habilidade faz da Cyanothece um sistema ideal para compreender como um organismo unicelular gera e regula processos complexos na mesma célula.

Segundo Himadri Pakrasi, líder do projeto, a questão fundamental está centrada no ritmo circadiano, visto que este controla muitos processos fisiológicos em organismos mais evoluídos, tais como as plantas e os humanos. A Cyanothece, apesar de simples se comparada àqueles organismos, é de grande interesse para a ciência, porque, mesmo que uma célula de Cyanothec e viva menos do que um dia, elas se dividem, em média, a cada 10 horas, tendo, por detrás desse mecanismo, um relógio biológico que comanda as atividades fisiológicas durante 24 horas. De fato, as cianobactérias são as únicas bactérias conhecidas por terem um comportamento circadiano, e isso pode ser aproveitado sob o ponto de vista energético. 

Por que um organismo tão simples possui um dispositivo horário é uma das questões levantadas pelo estudo. A resposta, de acordo com a pesquisa, é que o ciclo do dia e da noite tem um importante impacto na fisiologia da célula, ativando e desativando muitos processos metabólicos vitais. Entre os processos mais relevantes, está a fixação da fotossíntese e de nitrogênio. É difícil para uma célula executar estas duas funções, porque os processos são bem distintos um do outro. A fixação de nitrogênio requer a presença da nitrogenase, um catalisador que ajuda a reação química a ser processada mais rapidamente. Por sua vez, o oxigênio produzido pela fotossíntese degrada a nitrogenase, tornando a fixação de nitrogênio difícil ou impossível em organismos fotossintéticos.

Outras cianobactérias filamentosas executam a fixação da fotossíntese e de nitrogênio em células diferentes. A bactéria Cyanothece não pode separar estes processos antagônicos no espaço, contudo, pode separá-los no tempo. De acordo com os estudos anteriores, esse trabalho mostrou que os genes da Cyanothece, para a fotossíntese, se expressam durante o dia e os genes para a fixação de nitrogênio, à noite. O dado que mais se realça é o impacto que o ciclo dia-noite tem na fisiologia da célula.

Para observar o efeito de ciclos dia-noite na fisiologia de Cyanothece, Jana Stöckel, pesquisadora da Universidade de Washington, e sua equipe examinaram a expressão de 5.000 genes, medindo a quantidade de RNA mensageiro para cada gene responsável em alternar períodos escuros e claros, por 48 horas. Com base nos níveis da molécula, constatou-se, por exemplo, que, quando os pesquisadores identificaram grande quantidade de mRNA, em períodos escuros, eram codificados vários componentes da nitrogenase e, por conseqüência, as bactérias fixavam nitrogênio. Dos 5.000 genes estudados, quase 30 por cento estão associados à ativação pelos períodos diurno e noturno.  Esses genes em particular, encontrados no estudo, controlam igualmente processos metabólicos importantes. Conseqüentemente, a transcrição do mRNA tem um papel direto no comportamento fisiológico do organismo durante os períodos claros e escuros. 

Durante o dia, a Cyanothece se ocupa da fotossíntese. Usando a energia da luz solar, o dióxido de carbono da atmosfera e a água, a Cyanothece produz a glicose, um açúcar que ela armazena nos grânulos do glicogênio, enchendo seu compartimento interno de gás químico. À noite, ela ativa a produção de nitrogenase para fixar o nitrogênio. Visto que a fixação de nitrogênio requer muita energia, a Cyanothece usa o glicogênio armazenado através de um processo chamado respiração. Devido ao fato de a respiração requerer oxigênio, as células usam-no convenientemente, ajudando a proteger a nitrogenase da degradação.

Através da expressão cíclica dos genes, a Cyanothece é uma bactéria viva, armazenando a energia do sol para uma posterior utilização. Essa capacidade continua a seduzir os pesquisadores, que procuram soluções para o aproveitamento da luz solar e, conseqüentemente, gerar energia limpa e barata em grande escala.

  
22/05/2008
 

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