Celulose: das árvores a guloseimas Understand article

Tradução de Isabel Queiroz Macedo. A molécula que mantém de pé árvores poderosas também conduziu às primeiras formas de vida multicelulares - e até pode ser usada para fazer guloseimas deliciosas.

Qual é a macromolécula mais abundante na Terra? Talvez um polímero sintético? Na verdade, é um produto natural – numa caminhada pela floresta cruzamo-nos com ele a toda a hora. Estamos a falar da celulose, a substância produzida pelas plantas para suporte estrutural.

As plantas produzem anualmente mais de 100 mil milhões (1011) de toneladas de celulose – centenas de vezes mais do que a quantidade de plástico produzida no mesmo período. A celulose é amplamente utilizada, em várias indústrias. Pode estar a ler este artigo impresso em papel, à base de celulose, ou estar vestido/a com uma T-shirt e jeans de algodão, cujo componente principal é a celulose. O nosso mobiliário em casa, maioritariamente de madeira, é muito rico em celulose, e alguns de nós até vivem em casas de madeira. Também usamos madeira como fonte de energia para nos aquecermos no Inverno. Como biocombustível, a madeira é uma importante fonte de energia renovável.

O principal constituinte da madeira é a celulose, a molécula mais abundante na Terra.
Joseph / Flickr

Que é a celulose?

Apesar do seu enorme tamanho molecular, a celulose é uma molécula surpreendentemente simples: é uma macromolécula (uma molécula gigante) constituída exclusivamente de monómeros de glucose. Uma molécula de celulose pode conter vários milhares de moléculas de glucose. A glucose é sintetizada pelas plantas a partir de dióxido de carbono, água e luz solar, através do processo de fotossíntese.

A celulose (figura 1) é um polímero linear de glucose (um glucano). A unidade repetida é a celobiose, que consiste em duas moléculas de glucose ligadas de determinada maneira. As cadeias lineares de glucano associam-se entre si através de ligações de hidrogénio (pontes de hidrogénio), que, apesar de serem relativamente fracas, são em tão grande número que contribuem muito significativamente para as propriedades especiais da celulose. Por exemplo, ajudam-na a excluir a água e, assim, a manter as suas propriedades estruturais mesmo na presença de humidade. Além disso, conferem-lhe resistência a ataque químico por ácidos e bases (Ross et al., 1991).

Figura 1: A estrutura química da celulose, com as ligações entre as moléculas de glucose 1: glucose; 2: celobiose (2 moléculas de glucose ligadas por um átomo de oxigénio, representado a encarnado); 3: cadeia de glucano; 4: parte de uma macromolécula de celulose, com as ligações de hidrogénio (a azul) entre cadeias de glucano (Adaptado de worthington-biochem.com, megazyme.com)

A celulose não é produzida apenas por plantas

A celulose, com as suas propriedades tão úteis, ocorre em outros reinos do mundo vivo, não apenas em plantas. Alguns fungos têm uma parede celular de celulose (mas na maioria dos fungos esta parede é constituida de quitina, outra macromolécula abundante). Algas, algumas amebas e alguns animais invertebrados (principalmente invertebrados marinhos denominados tunicados) também produzem celulose. Em ascídeas (esguichos- do-mar), por exemplo, a celulose ajuda as larvas a metamorfosearem em adultos; no animal adulto a celulose faz parte da “túnica”, uma espécie de exoesqueleto. Quando os nutrientes são escassos, as amebas, formas de vida unicelulares, organizam-se em colónias denominadas amebas sociais, uma espécie de organismos multicelulares semelhantes a cogumelos; a haste e os esporos contêm celulose.

Alguns leitores ficarão surpreendidos ao saber que muitas bactérias produzem celulose (Ross et al., 1991; Zogaj et al., 2001). A sequenciação de genomas revelou que há uma ampla gama de espécies bacterianas com esta capacidade, de bactérias termófilas, mais antigas na evolução, a bactérias que se associam a plantas ou colonizam o nosso tracto gastrointestinal (Römling & Galperin, 2015). Este último grupo inclui duas bactérias intestinais bem conhecidas, E. coli e salmonela (Escherichia coli, Salmonella typhimurium).

O esguicho-do-mar Ciona intestinalis, com um exoesqueleto que contém celulose
Fotografia de Stefan Siebert
 

Porque precisam as bactérias de produzir celulose? Esta molécula, fortemente associada à rigidez estrutural das plantas, contribui para a adaptação das bactérias a uma variedade surpreendente de ambientes especializados. A celulose ajuda as bactérias que vivem em associação com plantas a ligar-se à sua superfície – e no caso de bactérias patogénicas, ajudam-nas a ligar-se firmemente às células hospedeiras, causando doenças. Algumas bactérias que vivem em nascentes salinas (incluíndo espécies termofílicas e cianobactérias) produzem celulose que, segundo se crê, as protegem do stress hídrico e de outras ameaças ambientais, como luz ultravioleta ou até desinfectantes.

As cianobactérias poderão estar na origem da capacidade das plantas de produzir celulose. Ao longo da evolução, estas bactérias incorporaram-se nas células vegetais como cloroplastos, trazendo consigo a informação genética necessária à produção de celulose, e esses genes fazem agora parte do genoma das plantas (Nobles et al., 2001). Mas como aconteceu isso? A teoria da endossimbiose sugere que há cerca de mil milhões de anos as cianobactérias fotossintéticas foram capturadas pelos antepassados das algas actuais, proporcionando uma tremenda vantagem aos novos organismos combinados, que evoluíram e formaram uma grande diversidade de espécies fotossintéticas de plantas e algas. Esta teoria é apoiada num facto muito interessante: embora os cloroplastos tenham perdido a maioria dos seus genes originais, o gene ancestral da celulose sintase (uma enzima necessária à biossíntese de celulose) foi transferido para o genoma das plantas e apresenta uma semelhança impressionante com os genes homólogos de cianobactérias modernas.

O patogeno gastrointestinal Salmonella typhimurium produz biofilmes de celulose, como matriz extracelular.
U Römling

Biofilmes: estabelecendo ligações

Um dos principais objectivos da síntese de celulose por bactérias é a produção de “biofilmes” – filmes com celulose que formam uma matriz extracelular que ajuda estas comunidades multicelulares a permanecer juntas. Essas comunidades bacterianas surgiram há cerca de 3,1 mil milhões de anos e foram das primeiras formas de vida multicelular na Terra. Actualmente muitos microrganismos têm um estilo de vida multicelular; a formação de biofilmes é notavelmente semelhante à formação de tecidos em organismos superiores, e, entre outras vantagens, é muito eficiente na utilização de nutrientes.

Os filmes de celulose também ajudam as bactérias a interagir com organismos superiores, como fungos, plantas e animais. Quando bactérias altamente patogénicas infectam um organismo, os biofilmes fornecem-lhes um mecanismo de controlo da virulência (da gravidade) da infecção. Em infecções crónicas há desregulação da matriz de biofilme bacteriano, o que reduz a virulência, permitindo que hospedeiro e bactérias continuem a coexistir (Pontes et al., 2015; Ahmad et al., 2016).

Celulose bacteriana: um supermaterial do futuro?

Chá kombucha fermentado,
que está a tornar-se muito
popular, é produzido com
celulose bacteriana.

Römling & Galperin (2015)

A celulose bacteriana tem características muito especiais que a tornam diferente da celulose vegetal: é obtida com um grau de pureza mais elevado, tem maior área superficial e maior capacidade de absorção e de retenção de água e tem um índice de cristalinidade mais elevado.

A celulose bacteriana tem um potencial económico considerável, e há já alguns produtos no mercado. Por exemplo:

  • “Nata de coco” é um doce de baixo teor calórico das Filipinas. É feito quase exclusivamente com celulose bacteriana produzida por fermentação de leite de coco.
  • O chá Kombucha, uma bebida tradicional no Japão, é produzido por fermentação de chá com uma cultura contendo bactérias produtoras de celulose e leveduras. É uma bebida considerada benéfica para a saúde que está a tornar-se popular em todo o mundo.
  • Em medicina, a celulose bacteriana é usada em curativos para feridas, particularmente feridas crónicas (mais difíceis de curar), principalmente devido à sua resistência mecânica e à elevada retenção de água. Como também é biodegradável e biocompatível, a celulose bacteriana pode vir a ter muitos outros usos médicos: por exemplo, na administração de medicamentos ou em medicina regenerativa, na reconstrução de tecido danificado, onde pode fornecer um suporte biodegradável e bem tolerado ao qual as células vivas aderem.

Este material natural ancestral está a caminho de se tornar um supermaterial do futuro, e é um exemplo de como as bactérias também podem ajudar-nos, e não só prejudicar-nos.

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References

Resources

  • Para conhecer o amido, outra macromolécula constituida por unidades de glucose, consulte:

Author(s)

A Dr Ute Römling é professora de fisiologia microbiana médica no Karolinska Institutet, em Estocolmo, Suécia. Estudou bioquímica na Universidade Técnica de Hannover, Alemanha, mas considera-se uma microbióloga autodidacta. Tem-se dedicado à educação em ciência.


Review

Este artigo é uma excelente base de leitura para aulas sobre estrutura e função de biomoléculas. O facto de a celulose ser produzida, não só por células vegetais, mas também por algumas bactérias, pode espoletar uma discussão e/ou investigação sobre biofilmes ou sobre a natureza da virulência bacteriana. Os alunos podem ser orientados na pesquisa, compilação e organização de informação sobre aplicações de celulose bacteriana em medicina ou na indústria alimentar. Essa informação poderá ser apresentada por escrito, ou oralmente, na aula. Também podem discutir-se na aula as respostas a perguntas como:

  • Qual é a importância da celulose nos tunicados?
  • Qual é o papel da celulose em bactérias que vivem em nascentes salinas?
  • Descreva e explique o papel de um biofilme.
  • Que significa o termo “virulência”?

Dr Shelley Goodman, professor de ciências aplicadas, Reino Unido




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