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May 07, 2023

Estrutura e mecanismo do alcano

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 2180 (2023) Citar este artigo

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Os alcanos são a forma de carbono mais rica em energia e estão amplamente dispersos no meio ambiente. Sua transformação por micróbios representa uma etapa fundamental no ciclo global do carbono. A alcano monooxigenase (AlkB), uma metaloenzima transmembrana, converte alcanos de cadeia linear em álcoois na primeira etapa da degradação mediada por micróbios de alcanos, desempenhando assim um papel crítico na ciclagem global de carbono e na biorremediação de petróleo. A biodiversidade AlkB é atribuída à sua capacidade de oxidar alcanos de vários comprimentos de cadeia, enquanto os AlkBs individuais visam uma faixa relativamente estreita. Mecanismos de seletividade de substrato e atividade catalítica permanecem indefinidos. Aqui relatamos a estrutura cryo-EM de AlkB, que fornece uma arquitetura distinta para enzimas de membrana. Nossa estrutura e estudos funcionais revelam uma configuração inesperada do centro de ferro e identificam determinantes moleculares para a seletividade do substrato. Essas descobertas fornecem informações sobre o mecanismo catalítico de AlkB e lançam luz sobre sua função em microrganismos que degradam alcanos.

Os hidrocarbonetos são onipresentes. Até 800 milhões de toneladas são liberadas a cada ano por meio de uma combinação de infiltrações naturais, liberações acidentais da indústria do petróleo e da atividade biológica de cianobactérias1,2,3. Essas moléculas são uma rica fonte de alimento para bactérias metabolizadoras de hidrocarbonetos e têm grandes impactos nos ecossistemas4,5. Consequentemente, uma etapa indispensável no ciclo do carbono é a transformação enzimática de alcanos líquidos para torná-los biologicamente úteis.

Bactérias que podem metabolizar alcanos líquidos são encontradas em todo o mundo, desde a região equatorial6,7 até golfos impactados por petróleo8 até solos primitivos ricos em hidrocarbonetos no Ártico e na Antártida7,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20,21,22. Nesses ambientes, a principal enzima que catalisa a oxidação de alcanos líquidos é a alcano monooxigenase (AlkB). AlkB oxida uma gama de alcanos de cadeia linear e é difundido em diversas bactérias que usam alcanos como sua única fonte de carbono e energia10,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37. Na verdade, foi o gene mais diferencialmente expresso na comunidade microbiana que cresceu rapidamente após o derramamento de óleo da Deepwater Horizon38.

AlkB pertence à superfamília de ácidos graxos dessaturases de membrana (FADS)-like, que representa um grupo de monooxigenases não-heme diiron que dessaturam ou hidroxilam cadeias alifáticas de ácidos graxos39. Refletindo a plasticidade catalítica da superfamília do tipo FADS de membrana, AlkB hidroxila seletivamente o grupo metil terminal de alcanos de cadeia linear; outros membros da família introduzem ligações duplas ou grupos hidroxila em substratos à base de lipídeos, respectivamente. O primeiro vislumbre da estrutura desses biocatalisadores únicos foi fornecido pelas estruturas da estearoil-CoA dessaturase SCD1 de mamíferos e da esfingolipídio α-hidroxilase de levedura Scs7p40,41,42,43. Exceto pelos motivos característicos ricos em histidina, AlkB não compartilha semelhanças de sequência significativas ou parceiros de transferência de elétrons com essas duas famílias de enzimas de ácidos graxos. A configuração exata do centro de ferro de AlkB permanece incerta. AlkBs funcionais também foram identificados em gêneros patogênicos, como Mycobacterium tuberculosis H37RV, Legionella pneumophilia cepa Philadelphia e Pseudomonas aeruginosa PAO131,36,44, o que sugere que AlkB pode estimular o crescimento de patógenos36. Mais de 20.000 sequências de proteínas AlkB foram identificadas, refletindo sua ampla distribuição entre microrganismos.

Apesar de sua importância fundamental para o ciclo global do carbono e para a saúde humana, o mecanismo catalítico do AlkB permanece misterioso, e a estrutura da enzima ainda não foi determinada experimentalmente. Questões mecanísticas centrais permanecem sem resposta: quais características diferenciam AlkB das enzimas de ácidos graxos e permitem que ela hidroxile seletivamente o grupo metil terminal de alcanos lineares; quais características diferenciam um AlkB do outro, o que, por sua vez, confere a toda a família uma gama de substratos notavelmente ampla que o torna uma pedra angular no ciclo global do carbono. A escassez de informações deixou uma lacuna substancial em nossa compreensão de como a estrutura do AlkB facilita sua função e dificultou muito sua aplicação à biotecnologia.