Enzima artificial faz química com oxigênio, gerando apenas água como resíduo

Estamos tentando migrar para uma indústria química verde, que use compostos menos agressivos ao meio ambiente, e o oxigênio bem que poderia desempenhar um papel nessa nova  química.

O oxigênio fornece a força motriz para reações químicas vitais, como a respiração, o processo que permite aos seres vivos decompor os alimentos para liberar sua  energia, e a combustão, que envolve as reações que produzem calor e luz para nossas máquinas, veículos e geração de eletricidade.

O problema é que o oxigênio possui uma configuração incomum dos seus elétrons, uma característica que tende a retardar as reações com a matéria orgânica, de modo que as reações frequentemente precisam de ajuda para começar. A natureza resolveu isto desenvolvendo proteínas especializadas, chamadas enzimas, que ativam o oxigênio sob demanda, rearranjando seus elétrons. Mas a ciência tem tido dificuldade em imitar essa ideia.

Agora, Alexander Arnette e colegas de várias universidades conseguiram desenvolver uma versão sintética de uma dessas enzimas, uma imitação que consegue iniciar uma reação semelhante à enzimática. Assim como sua análoga na natureza, essa reação produz apenas água como resíduo.

“Durante a maior parte da história, os  químicos se concentraram [na questão] ‘Podemos realizar reações para obter os produtos químicos que desejamos?’, e a resposta é quase sempre ‘Sim’,” ilustrou o professor Jonathan Kuo, da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA. “Uma versão moderna dessa questão propõe se podemos obter o que queremos sem deixar nada para trás. Precisamos de uma estratégia completamente nova. A natureza fornece o único modelo conhecido para uma infraestrutura química sustentável. Realizar pesquisas básicas para entender precisamente como a natureza faz isso – que é o objetivo deste projeto – poderá, eventualmente, nos permitir sintetizar produtos químicos e outros materiais de uma forma que rivalize com a circularidade da natureza.”

A nova substância tem potencial para ser usada em sínteses químicas industriais sustentáveis e no desenvolvimento de medicamentos. O objetivo final é desenvolver uma infraestrutura química mais sustentável, promovendo as reações desejadas sem produzir subprodutos indesejados ou nocivos.
[Imagem: Alexander G. Arnette et al. – 10.1021/jacs.5c23353]

Circularidade da natureza

A enzima artificial opera inserindo um átomo de oxigênio da molécula O₂ (dioxigênio) em um bloco de construção químico orgânico conhecido como anel aromático, que são estruturas muito estáveis, difíceis de alterar.

“A enzima tem como alvo um composto chamado catecol,” detalhou Kuo. “O catecol pode ser produzido a partir do benzeno, um composto aromático básico derivado do petróleo. Ambos são usados na produção industrial de produtos químicos. O anel de seis carbonos do benzeno e do catecol tende a ser estável, então a maioria dos produtos químicos que produzimos a partir de qualquer um desses materiais também contém esse anel de seis membros.”

O problema está justamente em romper essa estabilidade, de modo a fazer reações químicas mais interessantes e proveitosas.

Nos experimentos de demonstração, os pesquisadores comprovaram que a enzima sintética desempenha a função da enzima natural, conhecida como dioxigenase extradiol. Ela expande o anel de seis carbonos do catecol e insere um átomo de oxigênio, criando um anel de sete átomos, que é menos estável, ampliando as possibilidades de manipulação sintética e produção de outros tipos de compostos, incluindo novos plásticos, polímeros e fibras sintéticas.

Cada reação da enzima simulada consome uma molécula de oxigênio e produz uma molécula de água como resíduo, em uma reação de alta eficiência atômica, que poderá viabilizar o desenvolvimento de novas substâncias sustentáveis e ecologicamente corretas, disseram os pesquisadores.