Uma nova enzima artificial mostrou que pode mastigar a lignina, o polímero resistente que ajuda as plantas lenhosas a manter sua forma. A lignina também armazena um tremendo potencial para energia e materiais renováveis.
Reportando na revista Nature Communications, uma equipe de pesquisadores da Washington State University e do Pacific Northwest National Laboratory do Departamento de Energia mostrou que sua enzima artificial conseguiu digerir a lignina, que resistiu obstinadamente a tentativas anteriores de desenvolvê-la em uma fonte de energia economicamente útil.
A lignina, que é a segunda fonte de carbono renovável mais abundante na Terra, é principalmente desperdiçada como fonte de combustível. Quando a madeira é queimada para cozinhar, os subprodutos de lignina ajudam a dar aquele sabor defumado aos alimentos. Mas a queima libera todo esse carbono para a atmosfera em vez de capturá-lo para outros usos.
“Nossa enzima biomimética mostrou-se promissora na degradação da lignina real, o que é considerado um avanço”, disse Xiao Zhang, autor correspondente do artigo e professor associado da Escola de Engenharia Química e Bioengenharia de Gene e Linda Voiland da WSU. Zhang também tem uma nomeação conjunta no PNNL. “Achamos que há uma oportunidade de desenvolver uma nova classe de catalisadores e realmente abordar as limitações dos catalisadores biológicos e químicos”.
A lignina está em todas as plantas vasculares, onde forma paredes celulares e confere rigidez às plantas. A lignina permite que as árvores fiquem em pé, dá firmeza aos vegetais e compõe cerca de 20-35% do peso da madeira. Como a lignina fica amarela quando exposta ao ar, a indústria de produtos de madeira a remove como parte do processo de fabricação de papel fino. Uma vez removido, muitas vezes é queimado de forma ineficiente para produzir combustível e eletricidade.
Os químicos tentaram e falharam por mais de um século para fazer produtos valiosos a partir da lignina. Esse histórico de frustração pode estar prestes a mudar.
Um melhor que a natureza
“Esta é a primeira enzima mimética da natureza que sabemos que pode digerir a lignina com eficiência para produzir compostos que podem ser usados como biocombustíveis e para a produção química”, acrescentou Chun-Long Chen, autor correspondente, pesquisador do Pacific Northwest National Laboratory e afiliado professor de engenharia química e química na Universidade de Washington.
Na natureza, fungos e bactérias são capazes de quebrar a lignina com suas enzimas, que é como um tronco coberto de cogumelos se decompõe na floresta. As enzimas oferecem um processo muito mais benigno para o meio ambiente do que a degradação química, que requer alto calor e consome mais energia do que produz.
Mas, as enzimas naturais se degradam com o tempo, o que as torna difíceis de usar em um processo industrial. Eles são caros, também.
“É muito difícil produzir essas enzimas a partir de microorganismos em uma quantidade significativa para uso prático”, disse Zhang. “Então, uma vez que você as isola, elas são muito frágeis e instáveis. Mas essas enzimas oferecem uma grande oportunidade para inspirar modelos que copiam seu design básico.”
Embora os pesquisadores não tenham conseguido aproveitar as enzimas naturais para trabalhar para elas, ao longo das décadas eles aprenderam muito sobre como elas funcionam. Um artigo de revisão recente da equipe de pesquisa de Zhang descreve os desafios e barreiras para a aplicação de enzimas degradantes de lignina. “Compreender essas barreiras fornece novos insights para projetar enzimas biomiméticas”, acrescentou Zhang.
O andaime peptóide é fundamental
No estudo atual, os pesquisadores substituíram os peptídeos que cercam o sítio ativo das enzimas naturais por moléculas semelhantes a proteínas chamadas peptóides. Esses peptóides então se auto-montam em tubos e folhas cristalinas em nanoescala. Os peptóides foram desenvolvidos pela primeira vez na década de 1990 para imitar a função das proteínas. Eles têm vários recursos exclusivos, incluindo alta estabilidade, que permitem aos cientistas lidar com as deficiências das enzimas naturais. Neste caso, oferecem uma alta densidade de sítios ativos, o que é impossível de obter com uma enzima natural.
“Podemos organizar precisamente esses sítios ativos e ajustar seus ambientes locais para atividade catalítica”, disse Chen, “e temos uma densidade muito maior de sítios ativos, em vez de um sítio ativo”.
Como esperado, essas enzimas artificiais também são muito mais estáveis e robustas do que as versões naturais, de modo que podem funcionar em temperaturas de até 60 graus Celsius, uma temperatura que destruiria uma enzima natural.
“Este trabalho realmente abre novas oportunidades”, disse Chen. “Este é um passo significativo na capacidade de converter lignina em produtos valiosos usando uma abordagem ambientalmente benigna”.
Se a nova enzima biomimética puder ser melhorada para aumentar o rendimento de conversão, para gerar produtos mais seletivos, ela tem potencial para escalar até a escala industrial. A tecnologia oferece novas rotas para materiais renováveis para biocombustíveis de aviação e materiais de base biológica, entre outras aplicações.
A colaboração de pesquisa foi facilitada através do Instituto de Bioprodutos WSU-PNNL. Tengyue Jian, Wenchao Yang, Peng Mu, Xin Zhang do PNNL e Yicheng Zhou e Peipei Wang da WSU também contribuíram para a pesquisa.
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