Enzimas em microesferas para uma química mais sustentável
O KIT apresenta um pedido de patente para um processo
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Graças à biocatálise com enzimas, é hoje possível sintetizar, de forma ecológica, uma enorme variedade de princípios ativos farmacêuticos e outras moléculas complexas. Investigadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) desenvolveram agora uma tecnologia que permite unir enzimas para formar esferas com dimensões da ordem dos milímetros, aptas para armazenamento. As enzimas não são apenas catalisadores, mas constituem simultaneamente o material das esferas. Numa variante adicional, as redes enzimáticas podem ser combinadas com células vivas. O processo foi objeto de um pedido de patente. Resultados publicados na revista «Advanced Materials».
Na biocatálise, as enzimas aceleram as reações e podem ser utilizadas em vez de catalisadores químicos, muitas vezes tóxicos. Desta forma, é possível poupar matérias-primas e energia. No entanto, para que esta tecnologia tenha uma aplicação tão ampla quanto possível na indústria química, é fundamental que os biocatalisadores sejam produzidos de forma contínua e em grandes quantidades. Além disso, têm de ser estáveis ao armazenamento, transportáveis e fáceis de dosear. Para cumprir todos estes requisitos, uma equipa liderada pelo professor Christof Niemeyer, do Instituto de Interfaces Biológicas 1 do KIT, aperfeiçoou o conceito dos chamados hidrogéis totalmente enzimáticos (AEHs). Neste processo, as enzimas são equipadas com módulos de ligação molecular adequados. «Quando os componentes complementares se encontram, organizam-se espontaneamente em redes proteicas tridimensionais», explica Niemeyer. «As enzimas são, assim, simultaneamente catalisadoras e material de construção das esferas — uma grande vantagem em relação aos processos convencionais. Evitamos o material de suporte inativo e aumentamos a eficiência da reação química pretendida.»
Os investigadores aproveitaram estas propriedades para produzir esferas práticas (em inglês: «beads») num processo de duas etapas. Primeiro, reuniram componentes enzimáticos complementares em gotículas de líquido e fixaram-nas através de um congelamento rápido em azoto líquido. A liofilização subsequente resultou em esferas proteicas porosas e mecanicamente estáveis, com tamanho definido. As partículas secas podem ser novamente colocadas em líquido e utilizadas para reações biocatalíticas.
Sistema modular composto por enzimas e células
Com base em enzimas e tipos de reações muito diferentes, a equipa demonstrou que o procedimento é versátil. Tanto funções catalíticas individuais como sistemas compostos por várias enzimas — com ou sem adjuvantes adicionais — puderam ser organizados nas esferas. «Dependendo da reação pretendida, é possível adaptar a composição do material», explica Niemeyer. «Trata-se de uma espécie de sistema modular: Podemos combinar diferentes componentes enzimáticos através de módulos de ligação definidos para formar redes catalíticas e, posteriormente, transformá-las numa forma de partículas de fácil manuseamento.» Os cientistas demonstraram ainda a utilização das esferas AEH durante muitas horas em reatores de fluxo contínuo.
Em testes adicionais, a equipa combinou os componentes enzimáticos com células da bactéria Escherichia coli e produziu a partir delas esferas híbridas. Ao contrário das enzimas, as células podem, por exemplo, fornecer energia química ou produzir produtos intermédios. As esferas híbridas mantiveram a sua atividade catalítica mesmo após mais de quatro semanas de armazenamento a seco à temperatura ambiente. Mesmo após cinco meses de armazenamento, ainda foi possível comprovar as funções do sistema célula-enzima. Além disso, os investigadores demonstraram que é possível recuperar células viáveis a partir dos materiais, mantendo-se intacta a função genética.
Aplicável a produtos químicos de alta pureza ou medicamentos
«Com as esferas híbridas, combinamos duas formas de biocatálise que, normalmente, são consideradas separadamente», afirma Niemeyer. «Podemos combinar enzimas individuais de forma seletiva e, ao mesmo tempo, tirar partido das capacidades das células vivas. Assim, surge um material que combina ambas as abordagens e é fácil de manusear.» As possíveis áreas de aplicação incluem, por exemplo, a produção de produtos químicos de alta pureza, aromatizantes, componentes de princípios ativos farmacêuticos e outros produtos químicos de alta qualidade.
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Publicação original
Jennifer Kühne, Julian S. Hertel, André Delavault, et al.; "Programmable Carrier‐Free All‐Enzyme Beads for Modular Continuous‐Flow Biocatalysis"; Advanced Materials, 2026-9-24
Marius Stoeckle, Kersten S. Rabe, Christof M. Niemeyer; "Self‐Assembled Hybrid Cell‐Enzyme Materials for Gas‐Powered Biocatalysis"; Advanced Functional Materials, 2026-9-2
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