Químicos constroem catalisadores sintéticos para decompor biomassa como superenzimas • Serviço de Notícias • Universidade Estadual de Iowa

Postado em 17 de agosto de 2023, 15h10

Yan Zhao está trabalhando para desenvolver catalisadores sintéticos que possam ajudar a indústria a decompor fibras vegetais para combustíveis e produtos químicos. Foto maior. Foto de Christopher Gannon.

AMES, Iowa – Yan Zhao apontou para as árvores do lado de fora da janela de seu campus em uma tarde chuvosa.

O professor de química da Universidade Estadual de Iowa está desenvolvendo novos catalisadores sintéticos para quebrar a celulose, as fibras vegetais que tornam essas árvores altas e fortes.

“A celulose é construída para durar – uma árvore não desaparece simplesmente depois da chuva”, disse Zhao. “A celulose é um enorme desafio para ser decomposta.”

Zhao acredita ter uma ideia e uma tecnologia que podem realizar o trabalho, tornando a biomassa vegetal uma fonte prática de açúcares que pode ser convertida em muitas aplicações, incluindo combustíveis e produtos químicos.

“Estamos nos inspirando na biologia”, disse Zhao. “Estamos tentando duplicar as características das enzimas naturais. E até agora temos bons resultados.”

As enzimas são proteínas naturais que atuam como catalisadores, regulando as reações químicas que mantêm os processos biológicos em andamento e o funcionamento dos seres vivos. As enzimas, por exemplo, catalisam o metabolismo celular, incluindo a decomposição dos alimentos para digestão.

Três enzimas – endocelulase, exocelulase e beta-glicosidase – podem quebrar e digerir a fibra vegetal, ou celulose.

As enzimas naturais parecem ser um bom local para as indústrias recorrerem ao processamento de celulose. Mas eles são caros. Eles não sobrevivem a altas temperaturas ou solventes não aquosos. E são instáveis ​​e difíceis de reciclar de volta à produção.

O grupo de pesquisa de Zhao trabalhou cerca de 10 anos para desenvolver catalisadores de nanopartículas capazes de resolver esses problemas. Subsídios dos Institutos Nacionais de Saúde e da National Science Foundation (NSF) apoiaram esse trabalho. A Fundação de Pesquisa da Universidade Estadual de Iowa está buscando a proteção de patente da tecnologia e buscando parceiros comerciais.

Uma nova doação de três anos no valor de US$ 700 mil da NSF (com US$ 400 mil para pesquisas no estado de Iowa) promoverá as últimas idéias de Zhao sobre catalisadores que imitam enzimas. O novo projeto inclui simulações computacionais dos locais de reação ativos por Sijia Dong, professor assistente de química e biologia química na Northeastern University, em Boston.

As simulações, disse Zhao, “nos ajudarão a entender melhor nosso sistema. Este é um sistema muito complexo.”

O grupo de pesquisa de Zhao está aproveitando nanoesferas dinâmicas conhecidas como micelas. Eles se montam quando cadeias de moléculas de surfactante (que reduzem a tensão superficial em líquidos) são expostas à água, fazendo com que as cabeças hidrofílicas e amantes da água das moléculas formem uma concha externa e as caudas hidrofóbicas que odeiam a água se girem dentro dessa concha. .

Zhao e seu grupo descobriram uma maneira de as micelas se reunirem em torno de moléculas modelo semelhantes ao sítio ativo. Uma vez solidificadas pela luz ultravioleta, essas “nanopartículas com impressão molecular” têm 5 bilionésimos de metro de tamanho e têm a forma e o tamanho exatos para imitar as propriedades de ligação e catalíticas das enzimas naturais. As nanopartículas possuem grupos catalíticos apontados diretamente para ligações de açúcar em polímeros de celulose para quebrá-los de forma eficiente e seletiva.

“Se for bem-sucedida, a pesquisa produzirá catalisadores sintéticos para a celulose (decomposição) que podem competir com as celulases naturais em atividade, mas são muito mais fáceis de preparar e reciclar”, de acordo com um resumo do projeto.

Isso poderia torná-los uma opção viável para a indústria, disse Zhao, que está interessado em estabelecer parcerias com empresas.

Afinal, a tecnologia se adapta ao estado e à época.

“A conversão de biomassa é um grande negócio não apenas para o estado de Iowa”, disse Zhao, observando um mercado potencial para a biomassa cultivada em campos agrícolas em todo o estado, “mas o mundo neste momento está interessado numa economia neutra em carbono e na sustentabilidade”. .”