Reatores de fluxo cheios de enzimas podem produzir certos produtos químicos de maneira suave e cuidadosa. No entanto, seu desempenho até agora tem sido limitado. Uma equipe de pesquisa do Helmholtz-Zentrum Hereon e da RWTH Aachen University conseguiu agora aumentar o rendimento mil vezes.



Usando uma nanomembrana feita sob medida, eles conseguiram colocar as moléculas a serem convertidas em um contato muito mais próximo com as enzimas, aumentando assim dramaticamente a taxa de reação. O novo processo poderia ser utilizado para a produção sustentável de fosfato, entre outras coisas. O grupo de trabalho apresenta seus resultados na revista Nature Communications .

As enzimas são biocatalisadores que podem ser usados ​​para produzir produtos químicos de forma ecologicamente correta e com economia de energia. No entanto, o processo nem sempre facilita o seu uso eficiente. Um dos conceitos são os reatores de fluxo contínuo. Eles consistem em pequenos canais a cujas paredes as enzimas aderem. Quando uma solução flui através destes canais, as moléculas contidas na solução podem atracar-se nos biocatalisadores para reagir com a sua ajuda para formar o produto desejado.

Até agora, esses reatores não funcionaram de maneira ideal, pois geralmente possuem canais de tamanho milimétrico – as enzimas, por outro lado, têm tamanho nanométrico. Como resultado, muitas das moléculas que fluem nem sequer entram em contacto com os biocatalisadores e, portanto, não têm oportunidade para uma reação química.

Amortecedor para enzimas

Para resolver este problema, o grupo de trabalho utilizou uma membrana especial desenvolvida no Helmholtz-Zentrum Hereon em Geesthacht. "Esta membrana é criada pela automontagem dos chamados copolímeros em bloco", explica o Dr. Volker Abetz, chefe do Instituto Hereon de Pesquisa de Membranas e Professor de Físico-Química da Universidade de Hamburgo. "Sua superfície tem uma alta densidade de poros cilíndricos de tamanhos iguais." São minúsculos, com diâmetro de apenas 50 nanômetros. Abaixo da superfície há uma estrutura porosa mais aberta feita do mesmo copolímero em bloco.

Os cientistas usaram uma molécula auxiliar especialmente projetada – uma espécie de peptídeo adesivo – para unir essas paredes dos poros com enzimas. “Ele se liga à parede dos poros de um lado e à enzima do outro”, explica o Dr. Ulrich Schwaneberg, professor de biotecnologia na Universidade RWTH Aachen e membro da gestão científica do Instituto Leibniz de Materiais Interativos. “O peptídeo atua como uma espécie de amortecedor que mantém a enzima sempre a uma certa distância da parede dos poros.”

A equipe usou uma enzima chamada fitase em seu protótipo. Causa a decomposição do fitato, um composto que contém fósforo encontrado nos cereais, entre outras coisas. Na prática, a enzima fitase é adicionada à ração animal, por exemplo. Isto promove a libertação de fosfato biogénico, que pode então ser utilizado como fertilizante sustentável.

Teste de resistência bem-sucedido

“O protótipo do nosso reator de fluxo tem um design relativamente simples”, diz o pesquisador do Hereon, Dr. Zhenzhen Zhang. “A membrana tem aproximadamente o tamanho de uma folha de papel, além de um sistema que permite que a solução de fitato flua através da membrana”.

Como resultado, devido aos poros estreitos e densamente repletos de enzimas, cerca de mil vezes mais moléculas de fitato puderam ser convertidas em fosfato do que nos reactores de fluxo anteriores – um rendimento notável. Também foi útil que os poros da membrana estivessem eletricamente carregados positivamente e as moléculas de fitato carregadas negativamente. As forças de atração resultantes também ajudaram a colocar as moléculas em contato com as enzimas.

“Testamos a membrana durante 30 dias e ela perdeu muito pouco da sua eficiência”, diz Zhang. "Certamente deveria ser possível ampliar o nosso reator para uma escala industrial." Como o processo Hereon também pode ser usado para produzir membranas com poros menores ou maiores, também deverá ser possível equipar o reator com outras enzimas que possam então acelerar outras reações químicas.

No entanto, ainda existem questões sem resposta a serem esclarecidas. “Ainda não entendemos detalhadamente como as estruturas da membrana são formadas”, explica Abetz. "Se tivermos sucesso, esperamos ser capazes de produzir os poros cilíndricos da membrana de uma forma muito mais direcionada do que antes."

Mais informações: Zhenzhen Zhang et al, Um reator enzimático de fluxo contínuo baseado em uma membrana de copolímero em bloco nano e isoporoso com tamanho de poro correspondente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47007-y
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães