Como superenzimas

Por Iowa State University 23 de agosto de 2023

Na corrida para decompor a celulose, os catalisadores sintéticos estão agora a meio caminho entre duas enzimas naturais. Crédito: Ilustração de Yan Zhao/Iowa State University

Em uma tarde chuvosa, Yan Zhao apontou para as árvores visíveis da janela do campus.

Como professor de química na Universidade Estadual de Iowa, ele é pioneiro na criação de novos catalisadores sintéticos que decompõem a celulose, as fibras vegetais responsáveis ​​pela altura e resistência das árvores.

“A celulose é construída para durar – uma árvore não desaparece simplesmente depois da chuva”, disse Zhao. “A celulose é um enorme desafio para ser decomposta.”

Zhao acredita ter uma ideia e uma tecnologia que podem realizar o trabalho, tornando a biomassa vegetal uma fonte prática de açúcares que pode ser convertida em muitas aplicações, incluindo combustíveis e produtos químicos.

Os catalisadores sintéticos que Zhao e seu grupo de pesquisa estão desenvolvendo são como superenzimas, capazes de decompor a celulose como seus equivalentes naturais, mas em ambientes mais extremos e depois de serem reciclados repetidas vezes.

“Estamos nos inspirando na biologia”, disse Zhao. “Estamos tentando duplicar as características das enzimas naturais. E até agora temos bons resultados.”

As enzimas são proteínas naturais que atuam como catalisadores, regulando as reações químicas que mantêm os processos biológicos em andamento e o funcionamento dos seres vivos. As enzimas, por exemplo, catalisam o metabolismo celular, incluindo a decomposição dos alimentos para digestão.

Três enzimas – endocelulase, exocelulase e beta-glicosidase – podem quebrar e digerir a fibra vegetal, ou celulose.

Yan Zhao está trabalhando para desenvolver catalisadores sintéticos que possam ajudar a indústria a decompor fibras vegetais para combustíveis e produtos químicos. Crédito: Christopher Gannon/Universidade Estadual de Iowa

As enzimas naturais parecem ser um bom local para as indústrias recorrerem ao processamento de celulose. Mas eles são caros. Eles não sobrevivem a altas temperaturas ou solventes não aquosos. E são instáveis ​​e difíceis de reciclar de volta à produção.

Zhao’s research group has worked for about 10 years to develop nanoparticle catalysts capable of resolving those issues. Grants from the National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Os Institutos Nacionais de Saúde e a National Science Foundation (NSF) apoiaram esse trabalho. A Fundação de Pesquisa da Universidade Estadual de Iowa está buscando proteção de patente para a tecnologia e buscando parceiros comerciais.

Uma nova doação de três anos no valor de US$ 700 mil da NSF (com US$ 400 mil para pesquisas no estado de Iowa) promoverá as últimas idéias de Zhao sobre catalisadores que imitam enzimas. O novo projeto inclui simulações computacionais dos locais de reação ativos por Sijia Dong, professor assistente de química e biologia química na Northeastern University, em Boston.

As simulações, disse Zhao, “nos ajudarão a entender melhor nosso sistema. Este é um sistema muito complexo.”

O grupo de pesquisa de Zhao está aproveitando nanoesferas dinâmicas conhecidas como micelas. Eles se montam quando cadeias de moléculas de surfactante (que reduzem a tensão superficial em líquidos) são expostas à água, fazendo com que as cabeças hidrofílicas e amantes da água das moléculas formem uma concha externa e as caudas hidrofóbicas que odeiam a água se girem dentro dessa concha. .