A poluição por óleo está entre as causas mais graves de contaminação ambiental e afeta grandemente ecossistemas, empresas e comunidades 3. São necessárias soluções, por exemplo, para combater a poluição contínua por óleo proveniente das águas residuais de areias betuminosas em Alberta, Canadá. Durante o processo de extração de óleo das areias betuminosas, o betume, uma forma semi-sólida e oxidada de óleo, é removido utilizando técnicas de recuperação térmica que consomem cerca de 3,1 barris de água por barril de óleo produzido 1. A água residual contaminada com óleo, proveniente principalmente de um rio local, é armazenada em lagoas de rejeito após a extração do betume. É necessário um reuso mais eficaz dessa água residual, a fim de reduzir a necessidade de captação de água doce. Para facilitar a extração de betume e garantir que os locais a jusante atendam às diretrizes de qualidade da água para a proteção dos ecossistemas aquáticos, os tratamentos da água residual estão evoluindo rapidamente 3.
Atualmente, encorajam-se tecnologias de biorremediação que utilizam microrganismos para tratar a poluição por compostos orgânicos 1. Os alcanos são a família mais abundante de hidrocarbonetos no petróleo bruto, contendo de 5 a 40 átomos de carbono por molécula 7, 21. Sabe-se que muitas bactérias degradam alcanos de diversos comprimentos por meio da oxidação sequencial do grupo metila terminal, formando primeiramente álcoois, depois aldeídos e, finalmente, ácidos graxos 8. Neste projeto iGEM, diversos enzimas de diferentes organismos foram expressos e caracterizados, e disponibilizados por meio do padrão BioBrick e do Registro de Partes Biológicas Padronizadas.
O sistema bem estudado de hidroxilase de alcano de Gordonia sp. TF6 facilita a etapa inicial de oxidação de alcanos C5-C13, juntamente com a de cicloalcanos C5-C8, utilizando um mínimo de quatro componentes: alkB2 (alcano 1-monooxigenase), rubA3, rubA4 (duas rubredoxinas) e RubB (rubredoxina redutase) 8, 21. Relata-se que a oxidação de alcanos de cadeia longa (variando de C15 até C36) é realizada por ladA, uma monooxigenase de alcano flavoproteica de Geobacillus thermodinitrificans NG-80-2 7, 15, 18, 22. LadA forma um complexo catalítico com flavina mononucleotídeo (FMN) que utiliza oxigênio atômico para a oxidação. Isso resulta na conversão de alcanos em alcoóis primários correspondentes. Os álcoois são posteriormente oxidados por desidrogenases de álcool e aldeído a ácidos graxos, que entram facilmente na via da β-oxidação 7, 21. Uma desidrogenase de álcool independente de zinco da bactéria termofílica Geobacillus thermoleovorans B23 oxida alcoóis de cadeia média em seus aldeídos correspondentes, utilizando NAD+ como cofator 10. A desidrogenase de aldeído da mesma bactéria é capaz de catalisar a etapa final dependente de NAD+ na oxidação de cadeia média 11.
A fim de reduzir os custos de indução e manter a proliferação ideal do sistema bacteriano, o promotor pCaiF de E. coli foi caracterizado. Esse promotor pode regular a expressão dos componentes da via de degradação de hidrocarbonetos e é regulado pelos níveis de cAMP-Crp, que por sua vez dependem dos níveis de glicose 6. Em altas concentrações extracelulares de glicose no ambiente, o nível celular de cAMP (mononucleotídeo cíclico de adenosina) era baixo devido à inibição da adenilato ciclase como efeito colateral do transporte de glicose mediado pelo sistema PTS. Por outro lado, durante a limitação (baixas concentrações de glicose), o nível de cAMP aumentava e Crp se ligava ao cAMP, formando o complexo cAMP-Crp, que se ligava ao pCaiF e ativava a transcrição dos componentes downstream 6, 14.
O E. coli selvagem só pode tolerar concentrações moderadas de hidrocarbonetos. Para completar o conjunto de ferramentas, era necessário abordar a tolerância a hidrocarbonetos. Conhecem-se várias bactérias tolerantes a solventes orgânicos que sobrevivem em sistemas bifásicos água-solvente 12. Componentes moleculares conhecidos por aumentar a tolerância são chaperonas que facilitam a correta dobragem de proteínas. O sistema prefoldina de Pyrococcus horikoshii OT3, composto pelas proteínas phPFDα e phPFDβ, demonstrou aumentar a tolerância a hidrocarbonetos 17.
O kit de conversão de alcano foi construído seguindo o princípio BioBrick, que está documentado no Registro de Partes Biológicas Padrão 9. BioBricks são plasmídeos contendo uma inserção funcional específica que é cercada por 4 sítios de restrição predeterminados. As inserções BioBrick podem ser estendidas de forma flexível, permitindo a construção de sistemas biológicos com novas funções.