Pesquisadores desenvolveram pela primeira vez uma enzima capaz de quebrar ligações artificiais difíceis de cortar entre silício e carbono encontradas em substâncias comumente utilizadas chamadas siloxanos ou silicones. Esse método inovador abre a possibilidade de biodegradar essas substâncias, que podem causar poluição ambiental.
“A natureza é uma química incrível, e agora seu repertório inclui a quebra das ligações de siloxano que antes eram consideradas resistentes ao ataque de organismos vivos”, diz Frances Arnold, professora de engenharia química, bioengenharia e bioquímica no Caltech e ganhadora do Prêmio Nobel de Química de 2018 por seu trabalho pioneiro em evolução direcionada, uma metodologia para a engenharia de enzimas e outras proteínas usando princípios de seleção artificial. Arnold e seus colegas, incluindo Dimitris (Dimi) Katsoulis da Dow Inc. em Michigan, utilizaram a evolução direcionada para desenvolver uma nova enzima capaz de quebrar ligações de silício-carbono. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Science.
Os cientistas afirmam que, embora a aplicação prática da enzima desenvolvida possa levar mais dez anos ou mais, seu desenvolvimento abre a possibilidade de biodegradação de siloxanos no futuro. “Por exemplo, organismos naturais poderiam evoluir em ambientes ricos em siloxano para catalisar reações similares, ou versões aprimoradas de enzimas de laboratório evoluídas como esta poderiam ser usadas para remover contaminantes de siloxano em estações de tratamento de águas residuais”, diz Arnold.
Os compostos de siloxano podem ser encontrados em muitos produtos, incluindo agentes de limpeza domésticos, cosméticos e nas indústrias automobilística, da construção, eletrônicos e aeroespaciais. Sua estrutura química é baseada em ligações de silício-oxigênio com grupos de carbono anexados, mais comumente grupos metil.
Os siloxanos são conhecidos por persistirem no ambiente por dias ou meses, razão pela qual pesquisas estão sendo conduzidas sobre seu impacto na saúde humana e no meio ambiente natural. Essas substâncias degradam naturalmente em moléculas menores, especialmente em ambientes como solo ou água, e esses fragmentos volatilizam ou entram na atmosfera, onde se degradam através de reações com radicais livres. Das ligações em siloxanos, as ligações de silício-carbono são as mais resistentes à degradação.
Depois de ler sobre o trabalho do laboratório de Arnold na criação de ligações de silício-carbono, Katsoulis se aproximou dela para colaborar no processo de acelerar a degradação do siloxano. Em 2016, Arnold e seus colegas utilizaram a evolução direcionada para modificar uma proteína bacteriana chamada citocromo c para formar ligações de silício-carbono, um processo que não ocorre na natureza.
“Nós escolhemos a natureza para fazer o que apenas os químicos podem fazer – só que melhor”, disse Arnold. A pesquisa mostrou que a biologia pode criar essas ligações de uma maneira ecologicamente correta em comparação com os métodos tradicionais usados por químicos.
No novo estudo, os pesquisadores buscaram encontrar maneiras de quebrar essas ligações em vez de criá-las. Eles aplicaram a evolução direcionada para modificar uma enzima bacteriana chamada citocromo P450. A evolução direcionada é semelhante à criação seletiva de cães ou cavalos, pois visa extrair características desejadas. Os pesquisadores primeiro identificaram uma variante de citocromo P450 em sua coleção de enzimas que tinha atividade muito fraca na quebra de ligações de silício-carbono em siloxanos voláteis metilsiloxanos lineares e cíclicos, um grupo comum de siloxanos.
Em seguida, eles mutaram o DNA do citocromo P450 e testaram as novas variantes da enzima. As variantes com melhor desempenho foram mutadas novamente, e os testes foram repetidos até que a enzima estivesse ativa o suficiente para que os pesquisadores identificassem os produtos da reação e estudassem o mecanismo de ação da enzima.
“A evolução de enzimas para quebrar essas ligações de siloxano apresentou desafios únicos. Na evolução direcionada, precisamos avaliar simultaneamente centenas de novas enzimas para encontrar algumas variantes com atividade aprimorada”, diz Tyler Fulton, co-autor do estudo e estudante de pós-graduação no Caltech no laboratório de Arnold.
Um dos desafios era soltar os componentes de plástico das placas de 96 poços que foram usados para avaliar as variantes da enzima. Esse problema foi superado pela criação de novas matrizes a partir de materiais de laboratório comumente utilizados.
“Outro desafio foi encontrar uma enzima inicial para a evolução direcionada que tivesse uma leve atividade para a reação desejada”, diz Arnold. “Encontramos isso em nossa coleção única de citocromos P450 que foram evoluídos em laboratório para novos tipos de química de silício que não são encontrados no mundo natural.”
No final, a enzima aprimorada não quebra as ligações de silício-carbono, mas oxida o grupo metil em siloxanos em dois passos consecutivos. Em outras palavras, duas ligações de carbono-hidrogênio são substituídas por ligações de carbono-oxigênio, o que facilita a quebra das ligações de silício-carbono.
O estudo tem paralelos com a pesquisa sobre enzimas que degradam plásticos, com Fulton fazendo referência à enzima descoberta em 2016 por outro grupo de pesquisadores que degrada o poli(tereftalato de etileno) (PET), chamada Ideonella sakaiensis. “Embora a enzima degradação de PET tenha sido descoberta pela natureza em vez de ser projetada por cientistas, ela inspirou outras inovações que agora estão sendo buscadas para a degradação de plásticos. Esperamos que este estudo também inspire trabalhos futuros nessa área.”
Perguntas Frequentes:
1. O que são siloxanos químicos?
Siloxanos químicos são substâncias comumente utilizadas que contêm ligações artificiais entre silício e carbono. Eles podem ser encontrados em produtos como agentes de limpeza, cosméticos e nas indústrias automobilística, da construção, eletrônicos e aeroespaciais.
2. Qual é a importância de descobrir uma enzima capaz de quebrar ligações de silício-carbono?
A descoberta de uma enzima capaz de quebrar ligações de silício-carbono é importante porque abre a possibilidade de biodegradar siloxanos, que podem causar poluição ambiental. Essa enzima tem potencial para aplicação em estações de tratamento de águas residuais ou na evolução natural de organismos capazes de catalisar reações similares.
3. Quais são as aplicações práticas da enzima desenvolvida?
A aplicação prática da enzima desenvolvida pode levar mais dez anos ou mais, mas ela poderia ser usada para a biodegradação de siloxanos no futuro. Enzimas de laboratório com funções similares também poderiam ser usadas para remover contaminantes de siloxano em estações de tratamento de águas residuais.
Definições:
1. Siloxano: O siloxano é uma substância química que contém ligações artificiais entre silício e carbono. É comumente utilizado em diversas indústrias, como automobilística, construção, eletrônicos e aeroespacial.
2. Evolução direcionada: A evolução direcionada é um método utilizado em laboratórios para modificar e melhorar enzimas e outras proteínas utilizando técnicas de seleção artificial.
The source of the article is from the blog girabetim.com.br