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Usar a energia da luz para ativar enzimas naturais pode ajudar os cientistas a criar reações enzimáticas novas na natureza que apoiem a biomanufatura ecológica – a produção de combustíveis, plásticos e produtos químicos valiosos de plantas ou outros sistemas biológicos.
Aplicando essa abordagem fotoenzimática, os pesquisadores desenvolveram uma maneira limpa e eficiente de sintetizar blocos de construção químicos cruciais conhecidos como aminas quirais, resolvendo um desafio de longa data na química sintética.
O estudo, publicado na Natureza Catálise, incluiu pesquisadores do Centro de Inovação em Bioenergia e Bioprodutos Avançados (CABBI), um Centro de Pesquisa em Bioenergia financiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos; o Departamento de Engenharia Química e Biomolecular (ChBE) da Universidade de Illinois Urbana-Champaign; e a Universidade de Xiamen, na China. Foi liderado por Zhengyi Zhang do CABBI, pesquisador associado de pós-doutorado com o professor Huimin Zhao do ChBE, líder do tema de conversão do CABBI e afiliado do Instituto Carl R. Woese para Biologia Genômica (IGB); e Jianqiang Feng e Binju Wang da Faculdade de Química e Engenharia Química da Universidade de Xiamen.
O trabalho deles se concentrou na hidroaminação, uma reação química complexa que pode ser usada para produzir aminas quirais, que têm ampla aplicação na síntese de agroquímicos e outros produtos. A equipe desenvolveu um sistema fotoenzimático capaz de controlar radicais centrados em nitrogênio instáveis em uma reação conhecida como hidroaminação enantiosseletiva de radicais intermoleculares, que até agora era um grande desafio na química. Radicais são átomos ou moléculas com pelo menos um elétron desemparelhado, o que os torna altamente reativos quimicamente porque os elétrons preferem estar em pares.
A hidroaminação envolve a adição de um grupo amino (um átomo de nitrogênio ligado a um ou dois átomos de hidrogênio) a um composto orgânico insaturado. Atualmente, as reações de hidroaminação podem ser realizadas por metais ou fotocatalisadores, substâncias utilizadas para acelerar reações químicas. Embora a fotocatálise tenha vantagens sobre outros métodos, usando a luz como fonte de energia e evitando a necessidade de metais caros e venenosos, ela não foi aplicada anteriormente em reações de hidroaminação intermolecular para aminas quirais devido à dificuldade de controlar os radicais centrados no nitrogênio — intermediários chave no processo catalítico.
Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa voltou-se para enzimas naturais – proteínas encontradas em organismos vivos que catalisam reações em um processo chamado biocatálise. Enzimas naturais podem gerar e controlar radicais para vários processos biológicos. E a alta seletividade da biocatálise permite aos pesquisadores implantar enzimas para atuar em substratos específicos e criar produtos-alvo valiosos. O laboratório de Zhao teve sucesso ao conduzir esse processo com fotocatálise para produzir uma nova reatividade enzimática.
Neste estudo, os pesquisadores do CABBI escolheram a enzima ene-redutase, que já haviam usado com outros substratos para conseguir diferentes reações. Eles reaproveitaram com sucesso uma ene-redutase com luz natural para obter hidroaminação radical intermolecular com excelente enantiosseletividade (a capacidade de direcionar uma molécula de imagem espelhada conhecida como enantiômero).
“É uma nova reação que é muito difícil de realizar com um catalisador químico porque estamos produzindo compostos quirais e não há enzimas naturais que possam catalisar essa reação”, disse Zhao. “Neste trabalho, criamos uma enzima artificial que pode atingir essa reação única”.
A maioria dos compostos biológicos, incluindo moléculas de DNA, aminoácidos e muitos agroquímicos, são “quirais”, o que significa que uma cópia invertida ou espelhada não pode ser completamente sobreposta à molécula original (como uma mão esquerda e uma mão direita). A quiralidade é importante em muitos produtos agroquímicos; em alguns herbicidas, por exemplo, um enantiômero pode ter maior atividade herbicida e seletividade do que o outro. Portanto, é importante desenvolver métodos para fazer moléculas quirais de forma eficiente.
As descobertas têm aplicações práticas para a pesquisa da CABBI para desenvolver métodos eficientes para transformar folhas e caules de gramíneas bioenergéticas em produtos manufaturados de alto valor. Os ácidos graxos que os pesquisadores do CABBI derivam da biomassa vegetal podem ser prontamente convertidos nos compostos insaturados usados neste estudo e, portanto, podem potencialmente ser atualizados em aminas quirais.
Mais amplamente, a descoberta deste novo sistema fotoenzimático demonstra, em princípio, que as aminas quirais – precursoras de outras moléculas valiosas – podem ser produzidas a partir de materiais derivados de ácidos graxos em laboratório, oferecendo assim uma plataforma promissora para a biofabricação. Isso permitirá uma investigação mais aprofundada sobre a atualização de ácidos graxos em aminoácidos quirais, que podem ser usados para a produção de agroquímicos e outras moléculas e materiais.
Ao colaborar com pesquisadores de todo o mundo, a equipe do CABBI deu um passo gigantesco para entender os fundamentos desse sistema, disse Zhang. “Estou animado para trabalhar com a equipe para estudar esta reação, que acreditamos levará a novas descobertas envolvendo radicais centrados no nitrogênio.”
Zhao espera que as empresas usem o novo método desenvolvido pela equipe de pesquisa para fabricar seus produtos.
“Ainda queremos continuar descobrindo novas reações que possam ser catalisadas por enzimas, principalmente usando a biomassa produzida pelo CABBI”, disse.
Os co-autores deste estudo incluíram Wesley Harrison do CABBI, IGB e ChBE; Haiyang Cui do IGB, ChBE e do NSF Molecular Maker Lab Institute em Illinois; e Chao Yang e Dongping Zhong da Ohio State University.
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