Enzima que gera luz no frio extremo é descoberta em coral de mar profundo

Thabata Oliveira | Agência FAPESP * – Uma expedição realizada a bordo do navio oceanográfico Alpha Crucis da Universidade de São Paulo (USP) levou à identificação inédita de uma luciferase – enzima responsável pela produção de luz – em um coral de mar profundo. A molécula foi isolada da pena-do-mar Anthoptilum murrayi, um animal marinho do grupo dos cnidários, o mesmo das águas-vivas e anêmonas. A descoberta foi divulgada este mês na revista Biochemical and Biophysical Research Communications.

O organismo bioluminescente foi coletado em 2019 no talude continental, na região costeira entre os Estados de São Paulo e Rio de Janeiro. Essa área geográfica consiste em um declive submarino acentuado, funcionando como um degrau que marca a transição entre a parte mais rasa do mar (a plataforma continental) e o ambiente extremo do oceano profundo.

No estudo, os autores detalham as propriedades bioquímicas da enzima recém-descoberta, denominada AnmLuc, que é responsável por catalisar a reação geradora da bioluminescência no animal. O brilho resulta do encontro da luciferase com uma molécula chamada luciferina; ao oxidar essa substância, a enzima libera energia luminosa.

Os pesquisadores descobriram que a AnmLuc apresenta uma adaptação incomum ao frio, o que amplia o conhecimento sobre a evolução da bioluminescência e abre perspectivas para o desenvolvimento de novas ferramentas biotecnológicas, como biossensores e sistemas moleculares, que permitirão acompanhar processos celulares e o avanço de doenças.

O trabalho é fruto da pesquisa de doutorado de Gabriela Amancio Galeazzo, conduzida nos institutos Oceanográfico (IO) e de Química (IQ) da USP sob orientação de Anderson Garbuglio de Oliveira, atualmente professor na Universidade Yeshiva (Estados Unidos). Além de outros colegas da USP, também colaboraram pesquisadores das universidades Estadual Paulista (Unesp), Federal de São Paulo (Unifesp) e Federal do ABC (UFABC).

Coleta de sorte

O material biológico foi obtido durante uma das campanhas do projeto Deep Ocean, apoiado pelo programa BIOTA-FAPESP e coordenado pelo professor Marcelo Roberto Souto de Melo, do IO-USP.

Utilizando uma rede de arrasto com cerca de 20 metros de abertura, a equipe realizou coletas entre 200 e 1.500 metros de profundidade, trazendo à superfície peixes, lulas, moluscos e corais adaptados à escassez de luz e altas pressões.

Segundo Oliveira, esse tipo de campanha oceanográfica reúne pesquisadores de diferentes áreas que aproveitam as mesmas amostras para responder a perguntas distintas. “Participam taxonomistas, oceanógrafos, químicos e especialistas em diversos grupos de organismos. Uma única expedição rende anos de pesquisa”, destaca.

Embora a bioluminescência seja comum no oceano profundo, encontrar uma espécie específica depende, em grande parte, da sorte. “A chance de uma rede de 20 metros capturar exatamente o organismo que você procura é quase nula. Sabíamos que encontraríamos seres bioluminescentes, mas não quais espécies apareceriam”, afirma Oliveira.

Entre os organismos recolhidos estava a A. murrayi, coletada a cerca de 1.100 metros de profundidade. “Como não sabíamos previamente quais animais emitiam luz, todos os exemplares passavam por testes em uma sala escura a bordo. Foi quando observamos que essa pena-do-mar emitia uma luz verde ao ser estimulada”, conta Galeazzo. A observação deu origem à investigação sobre o mecanismo molecular do animal.

Pena-do-mar Anthoptilum murrayi, um animal marinho do grupo dos cnidários, o mesmo das águas-vivas (foto: Gabriela Amancio Galeazzo)

Engenharia genética e o mistério das cores

Embora a bioluminescência seja frequente entre corais e outros antozoários, seus mecanismos moleculares ainda são pouco compreendidos. Até então, a maior parte dos estudos na área concentrava-se na espécie de águas rasas Renilla reniformis. Segundo os autores, o novo trabalho apresenta a primeira caracterização bioquímica de uma luciferase vinda de um coral de águas profundas.

Para encontrá-la, os pesquisadores analisaram o transcriptoma do coral – o conjunto de moléculas de RNA que revela quais genes estavam ativos no organismo – em busca de sequências semelhantes às de outras luciferases conhecidas. “É como procurar um livro específico em uma biblioteca enorme. Identificamos uma sequência candidata muito promissora”, explica Galeazzo.

O gene identificado foi inserido na bactéria Escherichia coli para produzir a enzima em laboratório. A tarefa, contudo, exigiu persistência. “No começo, a bactéria produzia a enzima de forma insolúvel, inviabilizando o estudo. Passamos mais de um ano testando condições até descobrir que uma linhagem bacteriana modificada para operar em baixas temperaturas conseguia fabricar a luciferase corretamente”, relata a pesquisadora.

Os testes mostraram que a AnmLuc apresenta atividade máxima em torno de 15 °C e continua operando com eficiência entre 2 °C e 5 °C, temperaturas próximas às do hábitat original do coral. Em contrapartida, a luciferase de Renilla reniformis atinge seu pico próximo dos 25 °C.

Outro resultado intrigou a equipe: enquanto a pena-do-mar viva emitia luz verde no navio, a AnmLuc purificada em laboratório gerou luz azul. “Isso indica que a luciferase é apenas uma parte do sistema. Acreditamos que exista uma proteína fluorescente acessória no coral que absorve a luz azul da reação e a reemite na cor verde. Agora tentamos identificar essa segunda peça do quebra-cabeça”, revela a autora.

Fronteira biotecnológica

Luciferases são amplamente utilizadas na pesquisa biomédica como marcadores biológicos, pois a luz emitida durante a reação permite acompanhar, em tempo real, processos celulares e moleculares. “Basta adicionar o substrato [a luciferina] e a enzima emite luz, o que possibilita detectar moléculas com enorme sensibilidade. Como a AnmLuc funciona bem no frio, ela pode ser ideal para sistemas biotecnológicos projetados para operar nessas faixas de temperatura”, projeta Oliveira.

Além do potencial de inovação, os pesquisadores destacam que o trabalho evidencia o quanto o mar profundo brasileiro permanece inexplorado. “Cada expedição revela espécies e caminhos moleculares completamente novos. Uma única coleta de poucos dias gera anos de ciência e forma novos pesquisadores”, conclui o professor.

O estudo recebeu apoio da FAPESP por meio de seis projetos (17/22501-2, 24/15255-9, 22/09202-4, 17/12909-4, 22/14964-0 e 19/12605-0).

O artigo A coelenterazine-dependent luciferase from the deep-sea coral Anthoptilum murrayi pode ser lido em: sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0006291X2600968X.

* Thabata Oliveira é bolsista de Jornalismo Científico da FAPESP vinculada ao IQ-USP.