Bactérias ajudam a produzir açúcar de baixa caloria

Imagine um açúcar que tenha apenas 38% das calorias do açúcar de mesa tradicional, seja seguro para diabéticos e não cause cáries. Agora, acrescente que esse adoçante de sonhos não é um substituto artificial, mas um açúcar real encontrado na natureza e tem gosto de açúcar. Você provavelmente gostaria de usar isso na sua próxima xícara de café, certo?

Este açúcar é chamado tagatose. O FDA (agência federal do Departamento de Saúde e Serviços Humanos dos Estados Unidos) o aprovou como aditivo alimentar e, até o momento, não há relatos dos problemas que muitos substitutos do açúcar têm - como gosto metálico, ou pior, vinculado ao câncer - de acordo com pesquisadores e a FAO / OMS , que certificou o açúcar como "geralmente considerado seguro".

Então, por que não está em todas as suas sobremesas favoritas? A resposta está na despesa de produzi-la. Embora derivada de frutas e laticínios, a tagatose não é abundante e é difícil de extrair dessas fontes. O processo de fabricação envolve uma conversão de galactose para tagatose porém é altamente ineficiente, com rendimentos que podem atingir apenas 30%.

Mas os pesquisadores da Universidade Tufts desenvolveram um processo que pode desbloquear o potencial comercial desse açúcar de baixa caloria e baixo índice glicêmico. Em uma publicação recente na Nature Communications, o professor assistente Nikhil Nair e o pós-doutorado Josef Bober, ambos da Escola de Engenharia, criaram uma maneira inovadora de produzir açúcar usando bactérias como minúsculos biorreatores que encapsulam enzimas e reagentes.

Usando essa abordagem, eles alcançaram rendimentos de até 85%. Embora existam muitas etapas do laboratório para a produção comercial, rendimentos tão altos podem levar à fabricação em larga escala e à colocação de tagatose em todas as prateleiras dos supermercados.

A enzima escolhida para produzir tagatose a partir da galactose é chamada L-arabinose isomerase (LAI). No entanto, a galactose não é o principal alvo da enzima, portanto as taxas e rendimentos da reação com a galactose são inferiores ao ideal.

Em uma solução, a enzima em si não é muito estável e a reação só pode avançar até que cerca de 39% do açúcar seja convertido em tagatose a 37 graus Celsius (cerca de 99 graus Fahrenheit) e apenas até 16% a 50 graus Celsius (cerca de 122 graus Fahrenheit), antes que a enzima se degrade.

Nair e Bober procuraram superar cada um desses obstáculos através da biomanufatura, usando Lactobacillus plantarum - uma bactéria segura para alimentos - para produzir grandes quantidades da enzima LAI e mantê-la segura e estável dentro dos limites da parede celular bacteriana.

Eles descobriram que, quando expressa em L. plantarum, a enzima continuava a converter galactose em tagatose e elevava o rendimento para 47% a 37 graus Celsius. Mas agora que a enzima LAI foi estabilizada dentro da célula, poderia aumentar o rendimento para 83% na temperatura mais alta de 50 graus Celsius sem degradar significativamente e estavam produzindo tagatose a uma taxa muito mais rápida.

Para determinar se eles poderiam tornar a reação ainda mais rápida, Nair e Bober examinaram o que ainda poderia estar limitando-a. Eles descobriram evidências de que o transporte do material de partida, galactose, para a célula era um fator limitante. Para resolver esse problema, eles trataram as bactérias com concentrações muito baixas de detergentes - apenas o suficiente para deixar suas paredes celulares vazadas, de acordo com os pesquisadores. A galactose foi capaz de entrar e a tagatose liberada das células, permitindo que a enzima convertesse a galactose em tagatose a uma taxa mais rápida, reduzindo algumas horas do tempo necessário para obter 85% de rendimento a 50 graus Celsius.

“Você não pode vencer a termodinâmica. Mas, embora isso seja verdade, você pode contornar suas limitações com soluções de engenharia ”, disse Nair, que é um dos autores do estudo. “É como o fato de que a água não flui naturalmente de uma elevação para outra, porque a termodinâmica não permite. No entanto, você pode vencer o sistema, por exemplo, usando um sifão, que puxa a água primeiro antes de deixá-la sair pelo outro lado. ”

Encapsular a enzima para estabilidade, executar a reação em temperaturas mais altas e alimentar mais material inicial através de membranas celulares com vazamento são todos os "sifões" usados ​​para impulsionar a reação.

Embora seja necessário mais trabalho para determinar se o processo pode ser ampliado para aplicações comerciais, a biomanufatura tem o potencial de melhorar os rendimentos e ter um impacto no mercado de substitutos de adoçantes, que foi estimado em US$ 7,2 bilhões em 2018, de acordo com a empresa de pesquisa de mercado Knowledge Sourcing Intelligence.

Nair e Bober também observam que existem muitas outras enzimas que podem se beneficiar do uso de bactérias como pequenos reatores químicos que aumentam a estabilidade da enzima para reações de alta temperatura e melhoram taxas e rendimentos de conversão e síntese. Enquanto esperam explorar outras aplicações, desde a fabricação de ingredientes alimentares até o plástico, haverá muito em seu prato.