Uma equipe de pesquisadores pioneiros do Centro de Inovação Avançada em Bioenergia e Bioprodutos (CABBI) deu um salto significativo no complexo mundo da química molecular.



Seu foco? Azaarenos, peças únicas de quebra-cabeças moleculares cruciais para muitos produtos de uso diário, desde agroquímicos ecológicos até medicamentos essenciais. A equipe do CABBI demonstrou uma maneira inovadora de modificar essas moléculas, uma descoberta inovadora que é promissora para novas reações químicas industrialmente relevantes e soluções energéticas sustentáveis.

Central para sua pesquisa é o uso de sistemas fotoenzimáticos. Em termos mais simples, é o mesmo que sobrecarregar os minúsculos trabalhadores da natureza, as enzimas, com uma lanterna, permitindo-lhes montar ou reparar estruturas moleculares de formas sem precedentes. Ao aproveitar o poder da luz, estes cientistas descobriram novas reações químicas que antes se pensava estarem fora de alcance.

O estudo, publicado na Nature Chemistry , foi conduzido por pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

Os autores principais são Huimin Zhao, líder do tema de conversão do CABBI, professor de Engenharia Química e Biomolecular (ChBE), líder do tema de design de biossistemas do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica (IGB) e diretor do NSF Molecule Maker Lab Institute em Illinois.; e Maolin Li, pesquisador associado de pós-doutorado do CABBI, ChBE e IGB.

Os azaarenos, aparentemente minúsculos no vasto universo da química, desempenham, no entanto, um papel monumental. Eles são os blocos de construção de uma infinidade de compostos, influenciando até mesmo o DNA das nossas células. Mas o desafio sempre esteve na sua manipulação.

Graças ao desenvolvimento pela equipe de um sistema ene-redutase - um kit de ferramentas moleculares especializado usando a enzima ene-redutase que o laboratório de Zhao implantou em estudos anteriores - os pesquisadores encontraram uma maneira de modificar intrincadamente essas moléculas sem danos colaterais.

Uma das conquistas mais destacadas de seu trabalho é dominar a transferência enantiosseletiva de átomos de hidrogênio. As moléculas geralmente vêm em versões para canhotos e destros, ou enantiômeros, bem como luvas. O método da equipe permite que eles direcionem e ajustem seletivamente qualquer versão com precisão incomparável. Além disso, através do controle estéreo remoto eles poderiam fazer esses ajustes precisos à distância.

Para o CABBI e o setor de bioenergia, esta descoberta é uma virada de jogo. Os biocombustíveis e os bioprodutos – energia e produtos derivados de materiais vegetais em vez de recursos não renováveis ​​como o petróleo – representam um futuro mais verde e sustentável. A pesquisa da equipe ampliou a gama de reações químicas e bioprodutos que podem ser produzidos de forma eficiente.

O estudo também introduziu o conceito de fotocatálise assimétrica, técnica revolucionária que garante consistência nessas reações. Isso pode abrir novos caminhos para a produção de biocombustíveis e bioprodutos a partir de uma gama mais ampla de matérias-primas de biomassa, o que se alinha diretamente com os objetivos do CABBI e com a missão mais ampla do DOE de promover soluções sustentáveis ​​de energia e produtos.

"Com a nossa nova abordagem aos azaarenos e ao uso da transferência enzimática de átomos de hidrogénio, não estamos apenas a ultrapassar os limites da química", disse Zhao. "Estamos estabelecendo as bases para um futuro mais sustentável e inovador. Nossa pesquisa ampliou o conjunto de ferramentas disponíveis para uma produção ecologicamente correta e tem o potencial de catalisar avanços em agroquímicos e muito mais."

Além do laboratório, o potencial para aplicações no mundo real é imenso, desde liderar o avanço na energia sustentável até liderar produtos químicos agrícolas mais seguros. Os avanços na bioenergia e nos bioprodutos podem levar ao crescimento económico, com novas indústrias, empregos e produtos para os consumidores e fontes de energia potencialmente mais acessíveis. Ao promover métodos de produção sustentáveis ​​e eficientes, a investigação pode reduzir a poluição e a degradação ambiental, resultando num ar e água mais limpos para as comunidades.

À medida que o mundo enfrenta desafios ambientais e a necessidade premente de soluções sustentáveis, descobertas como estas iluminam o caminho a seguir, disse Li.

"Como pesquisador de pós-doutorado neste projeto, estive profundamente imerso nas complexidades dos azaarenos e em seu potencial. Desvendar os desafios do controle estéreo remoto e testemunhar as possibilidades transformadoras de nossas descobertas tem sido verdadeiramente estimulante. Esta pesquisa não é apenas sobre as nuances das reações químicas; é sobre o futuro da energia sustentável e muito mais, estou animado para ver aonde essa jornada nos levará a seguir”, disse Li.

Mais informações: Li, M. et al, Estereocontrole remoto com azaarenos via transferência enzimática de átomo de hidrogênio, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01368-x. www.nature.com/articles/s41557-023-01368-x
Informações do diário: Química da Natureza

Fornecido pela Universidade de Illinois em Urbana-Champaign