Mecanismos enzimáticos do microbioma de herbívoros aquáticos para a despolimerização e metabolismo de carboidratos complexos

Resumo

Este projeto visa elucidar sistemas enzimáticos e mecanismos moleculares associados à despolimerização e metabolismo de carboidratos complexos por microrganismos presentes na microbiota intestinal de herbívoros. O processamento de carboidratos pela microbiota intestinal tem um papel central na geração de energia (nutrição) para esses animais, além de outras funções como modulação do sistema imune, proteção contra a invasão de patógenos e metabolismo. Além disso, os herbívoros têm um papel importante na manutenção e dinâmica de ecossistemas, controlando o tipo, distribuição e estrutura de vegetação, seja terrestre ou aquática. Entender como as comunidades microbianas, e suas respectivas adaptações evolutivas desde nível populacional até o atômico, são capazes de utilizar carboidratos altamente diversos e recalcitrantes representa um importante avanço no conhecimento acerca da enzimologia de carboidratos, uma área de grande importância para a biotecnologia industrial, saúde e nutrição animal. O conhecimento gerado tem o potencial de expandir e/ou modificar nosso entendimento acerca de mecanismos microbianos para superar a recalcitrância dos carboidratos, o que pode acelerar a transição para uma bioeconomia circular e sustentável. Para isso, será empregada uma abordagem interdisciplinar que integra métodos ômicos, bioquímicos, estruturais e computacionais no estado-da-arte para investigarmos nichos altamente especializados na desconstrução de carboidratos como os microbiomas intestinais de herbívoros semiaquáticos e aquáticos que ainda são muito pouco conhecidos quando comparados aos ruminantes e herbívoros monogástricos terrestres. A relevância do sistema de estudo é apoiada pelas recentes descobertas do grupo sobre o microbioma intestinal da capivara, que permitiu fundar duas novas famílias no banco de dados CAZy e revelou um número significativo de proteínas com potencial ação lítica sobre carboidratos, reforçando o conceito de que tais organismos são fontes inestimáveis e ainda pouco exploradas de microrganismos e sistemas enzimáticos para o processamento de carboidratos complexos (Cabral et al., Nature Communications 2022). Além disso, o grupo tem buscado atuar na fronteira da descoberta e elucidação mecanística de enzimas ativas sobre carboidratos (CAZymes) exemplificados pelo dessecamento funcional e mecanístico de uma família inteira de glucanases por meio de redes de similaridade de sequências (Santos et al., Nature Chemical Biology 2020) e a combinação de cristalografia de raios-x com simulações computacionais quânticas para desvendar itinerários catalíticos alternativos para exo-enzimas ativas sobre carboidratos que mudam o modelo atualmente proposto sobre reações catalíticas de hidrolases glicosídicas (Morais et al., Nature Communications 2021). Também em 2021, o grupo desvendou a maquinaria enzimática para o processamento de xiloglucano por proteobactérias e seu papel na virulência em espécies fitopatogênicas (Vieira et al., Nature Communications, 2021). Mais recentemente, mostramos como bactérias probióticas do gênero Bifidobacterium são capazes de desconstruir e metabolizar N-glicanos, o que explica uma possível estratégia molecular para sua perenização na microbiota intestinal em mamíferos na sua fase adulta e idosa (Cordeiro et al., Nature Chemical Biology 2023). Em conclusão, tanto os sistemas biológicos alvo (herbívoros (semi-)aquáticos) como as abordagens experimentais e teóricas possuem grande potencial de resultar em descobertas de impacto na glicobiologia seja no âmbito fundamental de microbiomas e estratégias enzimáticas como aplicado para fins biotecnológicos. (AU)