Enzimas e nanopartículas: pequenas estruturas e grandes negócios

Produtividade e eficiência são duas palavras que estão no cerne da quarta revolução industrial, esta que nasceu da integração de diversas áreas do conhecimento para atender às novas demandas, melhorar pontos defasados e trazer uma atualização sem precedentes na forma como pensamos e realizamos a produção industrial. Integração entre inteligência artificial, internet das coisas, impressão 3D e 4D, nanotecnologia, robótica e bioprocessos são alguns dos campos que moldam essa indústria 4.0 e que objetivam o aumento justamente da produtividade e da eficiência. Outra questão pertinente ao desenvolvimento industrial é a redução dos resíduos e impactos ambientais; a otimização tanto da quantidade de produto usado (fazer mais com menos), da quantidade de resíduo gerado, e da diminuição do potencial poluidor destes resíduos e dos processos. Tudo isso visando ajustá-los tanto a demandas econômicas quanto ambientais [1,2, 3].

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​Produtividade e eficiência também são palavras importantes quando se fala de enzimas: estruturas biológicas que regulam atividades bioquímicas nos mais diversos organismos (mamíferos, fungos, plantas e bactérias) em etapas de produção de energia, sínteses, replicação de material genético e desintoxicação do organismo. Elas são extremamente seletivas e aumentam tanto a velocidade quanto a eficiência dos processos em que estão envolvidas. Além do mais, as enzimas podem ser obtidas mediante culturas microbianas de baixo custo, e atualmente, com uma melhor compreensão sobre modelagem molecular, podem sofrer simulação em computador sobre qual será a melhor configuração da estrutura, e meio reacional. Também é possível, graças à edição genética de microrganismos (permitindo que uma enzima de uma espécie de difícil cultivo em laboratório possa ser produzida por bactérias de cultivo bem estabelecido e de baixo custo em quantidades satisfatórias), uma maior produção dessas estruturas por meios ecologicamente responsáveis (em células bacterianas em culturas simples e com baixo custo energético), modificação em sua estrutura a fim de melhorar seu desempenho, solubilidade, estabilidade, otimização do sítio ativo (parte fundamental para o desempenho). Tudo isso visando determinar condições para otimizar processos, o que faz das enzimas um insumo de alto valor agregado na indústria. Quando estas são utilizadas em bioprocessos, os tornam mais ambientalmente responsáveis e economicamente interessantes. Alguns setores que utilizam enzimas em etapas de produção são: diagnóstico clínico, produção de papel, produção de alimentos e bebidas, produtos de limpeza, indústria têxtil, biorremediação e até mesmo combustíveis [2]. A parte de simulação por computador das modificações estruturais de enzimas 'selvagens' e dos testes dos efeitos dessas modificações já demonstra o comportamento da indústria 4.0 e como a integração entre diversas áreas oferece novas perspectivas poderosas [3-5].

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Outro campo que demonstra grandes perspectivas é o da nanotecnologia, um campo que se mostra extremamente versátil e com aplicações com os mais diferentes objetivos. O arranjo entre os átomos das estruturas nanométricas - de  1 nm a 100 nm - e suas interações com a vizinhança se mostram extremamente vantajosos em campos como computação, biologia, química, ciência de materiais, engenharia de materiais e saúde humana. As formas no espaço que estas nanoestruturas podem atingir também são vastas; por exemplo, tubos, esferas e folhas de carbono ou de outros elementos. Nanoestruturas chamadas de lipossomas, por exemplo, podem servir de carreadores, e sua superfície pode conter tanto nanopartículas orgânicas quanto inorgânicas; pode ainda haverem várias camadas de lipossoma, como uma boneca russa: tudo a depender do que se precisa daquela nanoestrutura. Um outro ponto atraente é a chamada síntese verde, que faz com que estes nanomateriais tão úteis sejam gerados de forma ambientalmente amigável, sem uso de reagentes agressivos (ao meio ambiente e aos trabalhadores que participam da produção dos nanomateriais) ou sem aplicação de altas temperaturas e energia. É um método sustentável e economicamente atrativo. Por exemplo, uma forma da síntese verde é aquela com uso de microrganismos, biomassa e de resíduos industriais. Na verdade, microrganismos também podem gerar nanopartículas, enzimas e biomassa, e a síntese verde é uma alternativa interessante para reaproveitamento de resíduos industriais [6-8].

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Com tudo isto em mente e pensando na indústria 4.0, que procura integração entre áreas diferentes e a maior eficiência na produção e no uso de insumos, a combinação de pesquisas com enzimas e aquelas com nanopartículas é totalmente espontânea. As duas áreas têm muito a oferecer uma à outra, e juntas oferecem diversos benefícios a campos como medicina, biorremediação, alimentação, indústrias de roupas, cosméticos e outras tantas. Um exemplo de como isso ocorre é a imobilização das enzimas. Mesmo em condições ideais elas têm um limite de uso; variações de temperatura, solventes, níveis de pH, poluentes e impurezas são os principais responsáveis pela perda de função da estrutura enzimática. A imobilização das enzimas, no entanto, garante uma maior capacidade de recuperação das estruturas para a reutilização, tornando mais eficiente seu uso e, portanto, barateando seu custo e abrindo caminho para novas cadeias e processos industriais (já que uma das possibilidades é a de aumentar a tolerância da enzima à temperatura e ao pH). A imobilização de enzimas também oferece uma melhora na eficiência das reações e pode aumentar o contato da enzima com o substrato [9,10].

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Neste aspecto, destaca-se que os nanomateriais são excelentes alternativas quando se pensa em imobilizar as enzimas. Conseguem interagir muito bem com diversas partes da estrutura da enzima, têm uma compatibilidade biológica excelente, podem assumir diversas formas, e apresentam grande área superficial para interação. Logo, tornam possível uma melhor organização das enzimas nos meios reacionais (possibilitando uma melhor difusão delas) e possibilitam sua adequação a diferentes tipos de necessidades e particularidades. As principais formas de imobilizar as enzimas com nanopartículas são: métodos covalentes, em que há uma forte ligação da nanopartícula à estrutura da enzima, mas que também pode alterar a sua conformação (o que pode gerar uma alteração positiva ou negativa); métodos não-covalentes, nos quais a estrutura da enzima é mantida, porém o processo de recuperação da enzima pode ser comprometido; e também métodos de encapsular a enzima com as nanopartículas, servindo tanto para proteção, imobilização e otimização do contato do sítio ativo com o substrato [9,10].

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Os nanomateriais à base de carbono oferecem uma grande área superficial, inclusive com a capacidade de formar filmes e grandes estruturas segmentadas. São biocompatíveis e biodegradáveis, além de possuírem uma grande possibilidade de interações com grupos amino das enzimas: tornando-os uma excelente escolha para aplicações de imobilização covalente ou encapsulamento enzimático. Por sua vez, as nanopartículas de metais e óxidos podem aumentar a capacidade catalítica das enzimas, aumentando sua estabilidade por suas propriedades magnéticas, além de poderem proteger grupos funcionais da estrutura da enzima contra ações adversas do meio. Atuando então como um potente imobilizador e  possibilitando um maior número de ciclos em que as enzimas podem ser utilizadas. As nanopartículas poliméricas constituem plataformas teóricas versáteis e altamente eficientes para imobilização enzimática devido à sua elevada área superficial, biocompatibilidade e propriedades físico-químicas ajustáveis. Podem ser sintetizadas a partir de polímeros naturais ou sintéticos (como polissacarídeos, poliestireno e poliuretano), formando um microambiente estável que preserva a conformação e a atividade das enzimas. A funcionalização com grupos como aminas, carboxilas, tióis e ligantes biomoleculares permite diferentes estratégias de imobilização (ligação covalente ou adsorção), aumentando a estabilidade, reutilização e controle da orientação enzimática. Além disso, a possibilidade de incorporar múltiplos grupos funcionais em uma única etapa favorece aplicações multifuncionais em biocatálise, biosensoriamento, liberação direcionada e biorremediação. Essa interação leva a um aumento da atividade enzimática, elevada estabilidade térmica e operacional, retenção significativa de atividade por longos períodos, barateamento dos custos, responsabilidade ambiental, novas metodologias e processos industriais e fácil recuperação do biocatalisador [9,10].

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Algumas características são bastante parecidas entre as diferentes nanopartículas, o que evidencia que múltiplas nanoestruturas podem ser utilizadas e suas vantagens combinadas: o que reforça a capacidade de combinação e de possibilidades de interações possíveis (uma grande vantagem). No entanto, diante destas tantas possibilidades de nanomateriais e de tantas combinações possíveis, se fazem necessárias muitas investigações para se chegar a uma combinação satisfatória dessas estruturas nano-enzimáticas. Para cada limitação existe, possivelmente, uma solução. Então, é preciso um grande esforço para se montar o protocolo ideal. E como cada processo ou atividade tem suas próprias particularidades e necessidades, cada um vai demandar um protocolo e uma metodologia própria. Tanto no que envolve a utilização das nanoestruturas quanto nos métodos e protocolos de sua produção, um melhor entendimento de possíveis impactos ambientais é necessário. Destacam-se neste cenário a síntese verde de nanomateriais, o desenvolvimento de suportes biodegradáveis e estudos sobre destino ambiental e toxicidade, visando uso industrial e medicinal seguro e eficiente [9,10].

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Integração, então, é a palavra chave. Não só para as enzimas interagindo com as nanopartículas, mas também entre áreas (como a bioinformática e biologia sintética) para explorar com mais eficiência e velocidade a possibilidade que essa interação nos traz, e assim explorar suas potencialidades com mais produtividade e eficiência.