O complexo ArrAB - a enzima que permite a respiração do arsenato - resolvido por cristalografia de raios X. A enzima é composta de duas partes: ArrA mostrada em amarelo e ArrB em azul. Um arco de agregados de ferro-enxofre transfere elétrons - um passo necessário do processo de respiração - para um átomo de arsênico por meio de um átomo de molibdênio.
Crédito: Cortesia do laboratório Newman
A água potável contaminada com arsênico é um grande risco à saúde, com exposição crônica causando doenças e cânceres. A Organização Mundial de Saúde estima que em Bangladesh, por exemplo, mais de 5 milhões de pessoas foram expostas à água potável contaminada por arsênico em 2009. Muitas vezes, o arsênico é liberado na água por micróbios que respiram ou respiram compostos contendo arsênico. Os pesquisadores do Caltech determinaram agora a estrutura da enzima bacteriana que permite a respiração do arsênico. O trabalho é um passo importante para prever influências biológicas na mobilização de arsênico no meio ambiente.
O trabalho foi feito no laboratório de Dianne Newman , Gordon M. Binder / Amgen Professor de Biologia e Geobiologia, Allen VC Davis e Lenabelle Davis Leadership Chair do Centro para Interações Microbiológicas Ambientais da Caltech e diretor executivo de biologia molecular. em um artigo na edição de 13 de agosto de Proceedings of the National Academy of Sciences .
Entre os compostos contendo arsênico tóxico que contaminam a água potável estão os arsenatos. Estes compostos são comumente encontrados associados a minerais de ferro em ambientes sedimentares. Nesta forma, os arsenatos não são susceptíveis de se dissolverem nas águas subterrâneas que fluem através destes depósitos geológicos. Quando as bactérias nesses ambientes ficam sem oxigênio, elas podem entrar em um modo anaeróbico e passar a respirar arsenato. Ao fazê-lo, os micróbios transformam o arsenato em arsenito, um composto semelhante que é muito mais solúvel em água. Muitos tipos diferentes de bactérias têm essa capacidade, fundamental para o que é uma proteína particular chamada complexo enzimático de Arr.
Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo ex-aluno de pós-graduação da Caltech Nathaniel Glasser (PhD '17) determinou a estrutura física da enzima e os locais moleculares precisos onde ela interage quimicamente com o arsenato.
Proteínas como o complexo Arr são tão pequenas que não podem ser vistas com um microscópio óptico. Assim, a equipe do Caltech recorreu a uma técnica chamada difração de raios X para revelar a estrutura da enzima. Descobrir exatamente como esta enzima é estruturada é importante para entender suas funções específicas, particularmente porque existem proteínas similares que interagem com compostos de arsênico de maneiras diferentes. Além disso, Glasser foi capaz de examinar a enzima produzida pela bactéria Shewanella - micróbios que realmente realizam a respiração do arsenato no ambiente - e não no organismo comumente usado em laboratório para a expressão de proteínas bacterianas, a Escherichia coli (E. coli) . Embora E. colipode executar respiração de arsenato e expressar o complexo enzimático de Arr, Shewanella pode produzir proteína muito mais ativa.
A razão pela qual o arseniato é tóxico para os seres humanos é porque ele é quimicamente similar ao fosfato, um composto necessário para as células produzirem ATP, a moeda energética da célula. Se houver muito arsenato presente, a célula começa a tomar isso em vez de fosfato, destruindo a capacidade da célula de produzir ATP. Neste estudo, Glasser e seus colegas mediram a atividade da enzima Arr na presença de diferentes níveis de fosfato.
"Ao contrário do que se poderia esperar, o fosfato provavelmente estimula a respiração do arsenato em vez de inibi-lo em ambientes sedimentares típicos em contato com o lençol freático. Saber a rapidez com que essa enzima funciona em condições ambientalmente relevantes nos aproxima um pouco da capacidade de prever quantas bactérias pode estar mobilizando arsênico em água potável em certos locais ", diz Newman. "Esta pesquisa não vai resolver a crise em Bangladesh, mas ter um melhor controle quantitativo sobre o que está acontecendo é útil para resolver praticamente qualquer problema, e particularmente importante quando se trata de um problema ambiental complexo onde muitos fatores estão envolvidos. Esse trabalho fornece informações úteis sobre uma enzima que, tanto quanto sabemos, é encontrada em todas as bactérias que respiram arsenato ".
O artigo é intitulado "Análise estrutural e mecanicista do arsenato redutase respiratória fornece insights sobre as transformações ambientais do arsênico". Além de Glasser e Newman, outros co-autores incluem o cientista da equipe Caltech, Paul Oyala, e Thomas Osborne e Joanne Santini, da University College London. O financiamento foi fornecido pelo National Institutes of Health, o National Science Foundation, o Departamento de Energia dos Estados Unidos, a Fundação Gordon e Betty Moore, o Instituto Beckman, o Programa de Bioengenharia Research Sanofi-aventis no Instituto de Tecnologia da Califórnia, o Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais, o Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas e o Fundo Educacional de Próxima Geração da Dow.
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