Pequenos mas poderosos: Produção miniaturizada de hidrogénio
"Colocámos a questão biologicamente um pouco louca de saber se não podemos simplesmente encontrar um atalho e deixar a ferredoxina produzir hidrogénio"
Os investigadores criaram um biocatalisador em miniatura para a produção de hidrogénio. Funciona eficazmente com os electrões da fotossíntese.
As enzimas naturais produtoras de hidrogénio são grandes e extremamente sensíveis ao oxigénio. Isto torna difícil a sua utilização para a produção aplicada de hidrogénio verde. Investigadores do grupo de fotobiotecnologia da Universidade Ruhr de Bochum e parceiros da Universidade de Potsdam, na Alemanha, encontraram uma forma de contornar este problema: transferiram o centro catalítico que contém ferro de uma dessas enzimas - a [FeFe]-hidrogenase - para uma ferredoxina. Esta pequena biomolécula funciona como um transportador de electrões em todos os organismos vivos. O biohíbrido artificial pode produzir hidrogénio de forma eficiente utilizando electrões de sistemas biológicos alimentados por luz. Os investigadores publicaram os seus resultados na revista Advanced Science em 17 de junho de 2025.
Atalho para a produção de hidrogénio
O hidrogénio é considerado um vetor de energia limpa do futuro, mas continua a ser difícil produzi-lo de forma sustentável. As enzimas naturais conhecidas como hidrogenases são biocatalisadores altamente eficientes na produção de hidrogénio, mas ainda não estão a ser utilizadas industrialmente. Com 600 aminoácidos, são muito grandes e complexas, e muitas vezes extremamente sensíveis ao oxigénio. Além disso, requerem electrões altamente energéticos que também devem ser produzidos de forma sustentável.
As [FeFe]-hidrogenases utilizam uma molécula que contém ferro para produzir hidrogénio. Este cofator funciona de forma semelhante a um catalisador de platina e pode ser sintetizado quimicamente. No entanto, como molécula isolada, é inerte e necessita do ambiente proteico para atingir a sua máxima eficácia.
Simplificar o biocatalisador
Os investigadores da Universidade Ruhr de Bochum queriam simplificar o biocatalisador hidrogenase altamente complexo para facilitar a sua integração nos processos industriais. Em algumas microalgas, as hidrogenases são alimentadas com os electrões fornecidos pela fotossíntese. A pequena proteína ferredoxina, que também contém ferro, transfere os electrões. A própria ferredoxina recebe os electrões diretamente da cadeia fotossintética de transporte de electrões.
"Colocámos a questão, biologicamente um pouco louca, de saber se não seria possível encontrar um atalho e deixar a ferredoxina produzir hidrogénio", explica Vera Engelbrecht, uma das duas principais autoras do estudo. Para sua grande surpresa, os investigadores conseguiram identificar ferredoxinas capazes de produzir hidrogénio em combinação com o cofator da hidrogenase. "No entanto, tivemos de contornar as vias de síntese biológica", explica Yiting She, a outra autora principal. "Apenas ferredoxinas específicas podiam colaborar com o cofator. Foi uma jornada difícil, mas emocionante, para descobrir isso".
Interação bem sucedida entre a proteína e o catalisador
A elevada atividade do biohíbrido surpreendeu os investigadores. "Sabemos que a interação entre a proteína e o cofator nas [FeFe]-hidrogenases naturais é muito bem ajustada", explica o Professor Thomas Happe, que supervisionou o projeto. Em cooperação com parceiros da Universidade de Potsdam, a nova ferredoxina hidrogenase foi, portanto, caracterizada espectroscopicamente e com cálculos quântico-mecânicos. "Parece que a proteína ferredoxina proporciona um ambiente quimicamente favorável ao catalisador da hidrogenase", conclui Happe. Para tal, o cofator natural da ferredoxina deve ser substituído pelo cofator da hidrogenase através de vias de síntese complexas. "Apesar disso, a nova proteína pode ainda receber electrões dos componentes da fotossíntese", afirma Yiting She. Trata-se, portanto, de um importante estudo de viabilidade de uma pequena metaloenzima artificial que imita as hidrogenases naturais, alimentadas pela luz, mas com menos componentes e estruturas mais pequenas.
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