Os cientistas desenvolveram uma enzima para quebrar as ligações silício-carbono nos siloxanos, marcando um passo significativo no sentido de tornar biodegradáveis estes produtos químicos difundidos e ambientalmente persistentes. Esta inovação, alcançada através da evolução dirigida, abre caminho para uma gestão mais eficaz dos resíduos de silicone. Acima está uma representação artística de uma enzima desenvolvida artificialmente quebrando uma ligação silício-carbono. Crédito: Caltech/Dow
Os cientistas desenvolveram com sucesso uma enzima capaz de quebrar as teimosas ligações feitas pelo homem entre o silício e o carbono, que existem em produtos químicos amplamente utilizados, conhecidos como siloxanos, ou silicones. Esta descoberta marca um passo inicial para tornar biodegradáveis estes produtos químicos ambientais persistentes.
“A natureza é uma química incrível e seu repertório agora inclui a quebra de ligações em siloxanos que antes se pensava que escapavam ao ataque de organismos vivos”, diz Frances Arnold, professora Linus Pauling de Engenharia Química, Bioengenharia e Bioquímica na Caltech e vencedora do Prêmio Nobel de 2018. em Química por seu trabalho pioneiro em evolução dirigida, um método para engenharia de enzimas e outras proteínas usando os princípios da seleção artificial. Arnold e seus colegas, incluindo Dimitris (Dimi) Katsoulis, da Dow Inc., com sede em Michigan, usaram a evolução dirigida para criar a nova enzima de clivagem de ligações silício-carbono. Os resultados são publicados na edição de 26 de janeiro da revista Ciência.
Os pesquisadores dizem que, embora os usos práticos de sua enzima projetada ainda possam demorar uma década ou mais, seu desenvolvimento abre a possibilidade de que os siloxanos possam um dia ser degradados biologicamente. “Por exemplo, organismos naturais poderiam evoluir em ambientes ricos em siloxano para catalisar uma reação semelhante, ou versões melhoradas de enzimas desenvolvidas em laboratório como esta poderiam ser usadas para tratar contaminantes de siloxano em águas residuais”, diz Arnold.
Katsoulis explica que a natureza não usa silício–ligações de carbono, “mas nós fazem e têm sido por cerca de 80 anos. A natureza volátil de alguns destes compostos justifica pesquisas de saúde e ambientais para compreender adequadamente os mecanismos de degradação destes materiais no meio ambiente.”
Silicones em produtos de uso diário
Os produtos químicos siloxano podem ser encontrados em inúmeros produtos, incluindo aqueles usados em limpeza doméstica, cuidados pessoais e nas indústrias automotiva, de construção, eletrônica e aeroespacial. A espinha dorsal química dos compostos é feita de silício–ligações de oxigênio, enquanto grupos contendo carbono, geralmente metil, estão ligados aos átomos de silício. “A estrutura silício-oxigênio confere ao polímero um caráter inorgânico, enquanto os grupos silício-metil conferem ao polímero características orgânicas. Assim, esses polímeros possuem propriedades materiais únicas, como alta estabilidade térmica e oxidativa, baixa tensão superficial e alta flexibilidade de estrutura, entre outras”, diz Katsoulis.
Acredita-se que os siloxanos persistem no ambiente durante dias a meses e, portanto, a investigação em curso visa proporcionar uma maior compreensão científica da saúde e da segurança ambiental dos materiais de silicone. Os produtos químicos começam naturalmente a fragmentar-se em pedaços mais pequenos, especialmente no solo ou em ambientes aquáticos, e esses fragmentos tornam-se voláteis ou escapam para o ar, onde sofrem degradação ao reagir com os radicais livres na atmosfera. De todas as ligações nos siloxanos, o silício–as ligações de carbono são as mais lentas para se quebrar.
Katsoulis abordou Arnold para colaborar nos esforços para acelerar a degradação do siloxano depois que ele leu sobre o trabalho de seu laboratório em persuadir a natureza a produzir silício–ligações de carbono. Em 2016, Arnold e seus colegas usaram a evolução dirigida para projetar uma proteína bacteriana chamada citocromo. c para formar silício–ligações de carbono, um processo que não ocorre na natureza. “Decidimos fazer com que a natureza fizesse o que só os químicos poderiam fazer – só que melhor”, disse Arnold num comunicado à imprensa do Caltech. A pesquisa demonstrou que a biologia poderia fazer essas ligações de maneiras mais ecológicas do que aquelas tradicionalmente usadas pelos químicos.
No novo estudo, os pesquisadores queriam encontrar maneiras de quebrar os laços, em vez de criá-los. Os cientistas usaram a evolução dirigida para desenvolver uma enzima bacteriana chamada citocromo P450. A evolução dirigida é semelhante à criação de cães ou cavalos, pois o processo é projetado para revelar as características desejadas. Os pesquisadores identificaram pela primeira vez uma variante do citocromo P450 em sua coleção de enzimas que tinham uma capacidade muito fraca de quebrar o silício.–ligações de carbono nos chamados metilsiloxanos voláteis lineares e cíclicos, um subgrupo comum da família dos siloxanos.
Superando Obstáculos na Evolução Enzimática
Eles transformaram o ADN do citocromo P450 e testou as novas enzimas variantes. Os melhores desempenhos sofreram novamente mutação e os testes foram repetidos até que a enzima estivesse ativa o suficiente para permitir aos pesquisadores identificar os produtos da reação e estudar o mecanismo pelo qual a enzima funciona.
“A evolução de enzimas para quebrar essas ligações em siloxanos apresentou obstáculos únicos. Com a evolução dirigida, devemos avaliar centenas de novas enzimas em paralelo para identificar algumas variantes de enzimas com atividade melhorada”, diz Tyler Fulton (PhD ’22), co-autor principal do estudo e pós-doutorado na Caltech no laboratório de Arnold. Um desafio envolveu as moléculas de siloxano lixiviando componentes plásticos das placas de 96 poços usadas para rastrear as variantes. Para resolver o problema, a equipe criou novas placas feitas com materiais comuns de laboratório.
“Outro desafio foi encontrar a enzima inicial para o processo de evolução dirigida, que tivesse apenas uma pequena quantidade da atividade desejada”, diz Arnold. “Encontramos isso em nossa coleção exclusiva de citocromo P450 evoluídos em laboratório para outros tipos de química de silício nova na natureza.”
A enzima melhorada final não cliva diretamente a ligação silício-carbono, mas oxida um grupo metila nos siloxanos em duas etapas sequenciais. Basicamente, isso significa que dois carbonos–ligações de hidrogênio são substituídas por carbono–ligações de oxigênio, e essa mudança permite que a ligação silício-carbono se quebre mais facilmente.
A pesquisa traça paralelos com estudos envolvendo uma enzima que come plástico, explica Fulton, referindo-se a um enzima degradante de tereftalato de polietileno (PET) descoberto nas bactérias Ideonella sakaiensis em 2016 por um grupo diferente de pesquisadores. “Embora a enzima que degrada o PET tenha sido descoberta pela natureza e não pelos engenheiros, essa enzima inspirou outras inovações que estão finalmente a dar frutos na degradação do plástico. Esperamos que esta demonstração inspire da mesma forma novos trabalhos para ajudar a quebrar os compostos de siloxano”, diz ele.
Referência: “Evolução dirigida da clivagem enzimática da ligação silício-carbono em siloxanos” por Nicholas S. Sarai, Tyler J. Fulton, Ryen L. O’Meara, Kadina E. Johnston, Sabine Brinkmann-Chen, Ryan R. Maar, Ron E Tecklenburg, John M. Roberts, Jordan CT Reddel, Dimitris E. Katsoulis e Frances H. Arnold, 25 de janeiro de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adi5554
A pesquisa foi financiada pela Iniciativa de Parceria Universitária da Dow e pela National Science Foundation. Outros autores do Caltech incluem o co-autor Nicholas Sarai (PhD ’23), bem como o estudante de graduação Ryen L. O’Meara, Kadina E. Johnston (PhD ’23) e a gerente do laboratório Arnold, Sabine Brinkmann-Chen. Outros autores da Dow incluem Ryan R. Maar, Ron E. Tecklenburg, John M. Roberts e Jordan CT Reddel.
