Modelagem molecular amplia conhecimento sobre materiais biopoliméricos


Quinta-feira, 21 de maio de 2015, às 13h15


Diego Freire | Agência FAPESP – No Centro de Pesquisa em Engenharia e Ciências Computacionais (CCES, na sigla em inglês), um Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPID) financiado pela FAPESP, a modelagem baseada na técnica de simulação computacional por dinâmica molecular tem levado a uma maior compreensão sobre os materiais biopoliméricos – como a celulose, a hemicelulose e a lignina – e como esses componentes se arranjam na parede celular das plantas.

Possibilidades de aplicação da técnica em pesquisas com materiais vitrocerâmicos e matéria condensada mole foram compartilhadas por pesquisadores de instituições de São Paulo e da Califórnia durante a FAPESP Week UC Davis in Brazil, realizada pela FAPESP e pela University of California (UC) em Davis nos dias 12 e 13 de maio de 2015, na capital paulista.

 

Técnica computacional de simulação de dinâmica molecular apresenta resultados promissores com celulose e pode aprimorar pesquisas com materiais vitrocerâmicos e matéria condensada mole (distribuição de hemicelulose em fibrilas de celulose / reprodução)

Técnica computacional de simulação de dinâmica molecular apresenta resultados promissores com celulose e pode aprimorar pesquisas com materiais vitrocerâmicos e matéria condensada mole (distribuição de hemicelulose em fibrilas de celulose / reprodução)

 

As pesquisas do CCES, desenvolvidas no âmbito do Programa FAPESP de Pesquisa em Bioenergia (BIOEN) para produção de bioetanol de segunda geração, foram apresentadas por Munir Salomao Skaf, coordenador do Centro e professor do Instituto de Química (IQ) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

“Essa modelagem ajuda a computar e determinar os movimentos de cada átomo que compõe o sistema molecular, em um sistema que imita o fisiológico, com a proteína, o polímero, o solvente, os íons etc. Conhecendo as interações entre as partículas por meio da computação de alto desempenho do CCES, é possível estudar e entender como elas interagem”, explicou à Agência FAPESP.

Entre os resultados mais recentes está a identificação de fatores que determinam a termoestabilidade e a termofilicidade de algumas enzimas envolvidas no processo de hidrólise.

Pesquisa conduzida por Rodrigo Leandro Silveira, do IQ, com apoio da FAPESP, estudou as principais causas pelas quais a celobiose, um produto da hidrólise da celulose, é também um inibidor de celobio-hidrolases, enzimas catalisadoras dessa reação.

“A enzima ataca as fibras de celulose, quebrando suas cadeias e gerando moléculas pequenas chamadas celobioses, um produto dessa reação. A reação avança e a concentração de celobiose aumenta e passa a inibir a atividade enzimática, impedindo-a de prosseguir”, explicou Skaf.

Isso porque, assim que a enzima acaba de fazer a hidrólise, ela própria “segura” o produto no lugar onde ele foi produzido, obstruindo o canal.

“Nós encontramos a ação de um resíduo aminoácido em particular, que é a principal responsável por segurar o produto da reação na cavidade da enzima, o que impede que a celobiose seja eliminada para o meio e que a enzima ataque novos substratos que não foram hidrolisados”, disse.

De acordo com Skaf, o estudo sugere que mutações genéticas poderiam levar a uma enzima que seja cataliticamente eficiente e menos inibida pelo produto de sua reação.

Munir Skaf, coordenador do Centro de Pesquisa em Engenharia e Ciências Computacionais. Foto: Claudio Arouca

Munir Skaf, coordenador do Centro de Pesquisa em Engenharia e Ciências Computacionais. Foto: Claudio Arouca

Em outra pesquisa, conduzida por Erica Teixeira Prates, também com apoio da FAPESP, foram estudadas as endoglucanases, enzimas modulares com um módulo responsável pela reação e outros pela ligação ao substrato, com função de “grudar” na parede celular das fibras da celulose, aproximando o domínio catalítico do seu alvo.

O trabalho, realizado em colaboração com a equipe do professor Igor Polikarpov, do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da Universidade de São Paulo (USP), mostrou como a enzima adotou mecanismos alternativos de ligação à celulose.

“Essa enzima é uma endoglucanase de um microrganismo que desenvolveu evolutivamente outros mecanismos que desempenham esse papel de ligação com o substrato”, disse Skaf.

O grupo também obteve resultados promissores no estudo das forças termodinâmicas que mantêm a coesão da parede celular, identificando qual a influência dos diferentes tipos de hemicelulose sobre as fibrilas de celulose.

Interações

As pesquisas com modelagem molecular no CCES são realizadas em parceria com biofísicos estruturais de proteína, os cristalógrafos, e biólogos moleculares, destacando-se as cooperações com Polikarpov e pesquisadores do Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE).

Enquanto os biofísicos isolam a proteína e obtêm a estrutura cristalográfica delas, com uma imagem estática da posição de cada átomo, os biólogos moleculares e enzimologistas fazem ensaios enzimáticos de como essa enzima atua em diferentes substratos, tipos de celulose e outros polissacarídeos.

“Por um lado você tem a estrutura da proteína e de outro os ensaios biológicos, como ela atua para promover a degradação da biomassa, e a pesquisa faz a ponte entre a estrutura estática e os comportamentos biológicos”, contou Skaf.

As informações sobre a estrutura da enzima e os ensaios enzimáticos são utilizadas para gerar pequenos filmes das trajetórias das moléculas, demonstrando como os átomos se movem.

Alexandra Navrotsky, reitora interina da UC Davis. Foto: Claudio Arouca

Alexandra Navrotsky, reitora interina da UC Davis. Foto: Claudio Arouca

De posse dos milhões de frames (“quadros”) das trajetórias moleculares capturados pela computação de alto desempenho do CEPID, são desenvolvidos programas que analisam essas trajetórias e possibilitam observar, entre outras coisas, como o substrato se liga à proteína, o que o mantém em uma posição adequada para a hidrólise, quais resíduos interagem mais ou menos e quais são as alterações estruturais da enzima ao longo do tempo.

“Nós acompanhamos e analisamos esses processos, correlacionando-os com seus funcionamentos biológicos, com ensaios enzimáticos, em processos naturais quando os fungos e as bactérias decompõem a matéria orgânica na natureza ou em processos industriais, em que essas enzimas são utilizadas para degradar a biomassa e convertê-la em açúcares menores, fermentados a etanol ou convertidos em outros produtos químicos de maior valor agregado no que é chamado de biorrefinaria”, explicou Skaf.

Materiais vitrocerâmicos

Para Alexandra Navrotsky, reitora interina da UC Davis e pesquisadora em Ciências Físicas e Matemática, as simulações dinâmicas moleculares desenvolvidas no CCES têm potencial para aplicação em pesquisas com diferentes materiais.

“As técnicas são basicamente as mesmas, afinal, estamos falando de matéria, composta por átomos e moléculas. Se sabemos como eles interagem uns com os outros é possível computar esses processos, as forças exercidas sobre esses átomos e essas moléculas e determinar seus movimentos, gerando trajetórias atômicas para qualquer sistema. As experiências bem-sucedidas do Brasil nesse sentido podem e devem ser multiplicadas”, disse à Agência FAPESP.

Navrotsky falou na FAPESP Week sobre suas pesquisas com matéria condensada mole, em especial os estudos calorimétricos de sistemas micelares e de outros materiais afins.

Na ocasião, também foram apresentadas pesquisas realizadas no Centro de Ensino, Pesquisa e Inovação em Vidros (CeRTEV), outro CEPID da FAPESP.

Edgar Dutra Zanotto, coordenador do Centro de Ensino, Pesquisa e Inovação em Vidros. Foto: Claudio Arouca

Edgar Dutra Zanotto, coordenador do Centro de Ensino, Pesquisa e Inovação em Vidros. Foto: Claudio Arouca

“Nós buscamos entender as correlações entre a complexa estrutura molecular de vidros – que, por não ser cristalina, possui átomos desarranjados – e processos dinâmicos, como fluxo viscoso (fluidez), relaxação estrutural, a mudança da estrutura do vidro quando ele é aquecido a certa temperatura e a cristalização, que é nosso maior interesse, porque leva aos vitrocerâmicos e a possíveis aplicações comerciais desses materiais policristalinos”, explicou Edgar Dutra Zanotto, coordenador do CeRTEV e professor do Departamento de Engenharia de Materiais do Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

Entre as aplicações comerciais dos vitrocerâmicos, materiais vítreos cristalizados controladamente, Zanotto apresentou o desenvolvimento de dentes artificiais que imitam os naturais com alto grau de fidelidade e materiais transparentes de alta resistência balística que parecem vidro, mas são policristalinos, muito mais duros e resistentes.

Também estão sendo desenvolvidos materiais em vitrocerâmica para arquitetura, imitando mármore e granito, e biovitrocerâmicos para implantes, substituindo ossículos do ouvido, das mãos e da face.

“Esses materiais biovitrocerâmicos são muito mais biocompatíveis e bioativos que o titânio, por exemplo. Em contato com o plasma sanguíneo, a saliva, o suor e outros fluidos corporais eles automaticamente formam uma camada de hidróxido carbonato apatita, unindo-se à cartilagem e ao osso, podendo assumir funções que o titânio não é capaz de assumir”, explicou.

Para Zanotto, as discussões na FAPESP Week podem levar a parcerias entre pesquisadores de São Paulo e da Califórnia para ampliar ainda mais a abrangência das pesquisas.

“Nossos estudos podem se beneficiar de dados e medidas termodinâmicas da UC Davis, considerando que Alexandra Navrotsky é uma das maiores especialistas em termodinâmica de líquidos e vidros, assim como seu grupo poderá se beneficiar de simulações e dados experimentais de processos dinâmicos obtidos pelo nosso grupo para entender melhor os processos estudados na Califórnia”, destacou.

Pode levar até 10 anos entre a descoberta de uma molécula com potencial farmacológico e sua transformação em um medicamento. Foto: divulgação

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