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A biocatálise industrial com enzimas é considerada uma “virada de jogo” no desenvolvimento de uma indústria química sustentável. As enzimas podem ser usadas para sintetizar uma gama impressionante de moléculas complexas, incluindo substâncias farmacêuticas, sob condições ambientalmente compatíveis. Pesquisadores do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) desenvolveram agora uma nova classe de materiais, produzindo espumas enzimáticas de tremenda estabilidade e atividade. Eles relatam em Materiais avançados. Os pesquisadores já registraram um pedido de patente do processo de produção de espumas enzimáticas.
A biocatálise industrial é usada principalmente para a produção de produtos farmacêuticos e produtos químicos especiais. Para avançar neste processo, os pesquisadores estão trabalhando em novas tecnologias de processo. Na biocatálise, as enzimas aceleram as reações em vez de catalisadores químicos. Isso economiza recursos e energia. O trabalho atual visa fornecer continuamente grandes quantidades de biocatalisadores enzimáticos em condições tão suaves quanto possível. Para alcançar conversões de substâncias eficientes, as enzimas são imobilizadas em reatores de fluxo microestruturados. Eles são fixados espacialmente e ligados a um material inerte. Assim, sua mobilidade é limitada, o que resulta em maior concentração de enzimas e maior produtividade.
Microgotículas de espuma de enzimas de automontagem
Normalmente, a formação de espuma modifica a estrutura da enzima e as enzimas perdem sua atividade biocatalítica. As novas espumas de proteína, no entanto, têm uma tremenda estabilidade e atividade. A atividade é uma medida da eficácia da enzima que garante que as substâncias iniciais reajam entre si o mais rápido possível. Para a produção de espumas proteicas, duas enzimas desidrogenases são misturadas, que carregam locais correspondentes para formar espontaneamente uma rede estável de proteínas. “Em seguida, um fluxo de gás é adicionado a essa mistura em um chip microfluídico para a formação controlada de bolhas microscópicas de tamanho uniforme”, explica o professor Christof Niemeyer, do Instituto de Interfaces Biológicas 1. A espuma com tamanho de bolha uniforme é aplicada diretamente sobre lascas de plástico e secas, como resultado da polimerização das proteínas e formação de uma rede hexagonal estável.
“Essas espumas monodispersas totalmente enzimáticas são redes porosas tridimensionais compostas exclusivamente por proteínas biocataliticamente ativas”, diz Niemeyer. A estrutura de favo de mel hexagonal estável das espumas tem um diâmetro médio de poro de 160 µm e uma espessura das lamelas de 8 µm. É formado pelas bolhas esféricas uniformes após alguns minutos.
Uso eficiente das espumas de enzima completa ativas e estáveis
Para usar eficientemente as enzimas para reações de conversão, elas devem ser imobilizadas em grandes quantidades sob as condições mais suaves para manter sua atividade. Até agora, as enzimas foram imobilizadas em polímeros ou partículas transportadoras. No entanto, estes requerem espaço valioso no reator e a atividade enzimática pode ser reduzida. “Em comparação com nossos ‘hidrogéis totalmente enzimáticos’, os novos materiais à base de espuma têm uma área de superfície muito maior na qual a reação desejada pode ocorrer”, destaca Niemeyer. Em contraste com os resultados teoricamente esperados, as novas espumas mostram surpreendentemente alta durabilidade, resistência mecânica e atividade catalítica das enzimas, o que não havia sido alcançado anteriormente em proteínas espumantes. Os pesquisadores assumem que a estabilidade resulta das junções correspondentes das enzimas. Eles permitem que as enzimas se automontem e formem uma nova rede de material de estabilidade incomparável durante a secagem. “Surpreendentemente, as espumas enzimáticas recém-desenvolvidas são muito mais estáveis após a secagem por quatro semanas do que as mesmas enzimas sem espumas”, diz Niemeyer. “Isso é particularmente útil para a comercialização do processo, pois a produção em estoque e a entrega são consideravelmente facilitadas.”
Os novos biomateriais abrem muitas oportunidades para inovações em bioengenharia industrial, ciências de materiais ou tecnologia de alimentos. Espumas de proteína podem ser usadas em processos biotecnológicos para produzir compostos valiosos de forma mais eficiente e sustentável. Os pesquisadores, por exemplo, usaram as espumas para produzir tagatose, uma alternativa promissora ao açúcar refinado.
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