Modelagem molecular amplia conhecimento sobre materiais biopoliméricos

Técnica computacional de simulação de dinâmica molecular apresenta resultados promissores com celulose e pode aprimorar pesquisas com materiais vitrocerâmicos e matéria condensada mole

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.

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.

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.

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.

"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.