- Pesquisadores da SEAS descobriram o mecanismo químico pelo qual certos compostos de sal degradam resíduos proteicos, como lã e penas.
- A descoberta possibilita um processo de reciclagem de proteínas mais gentil e sustentável.
As indústrias têxtil e de processamento de carnes produzem bilhões de toneladas de resíduos anualmente na forma de penas, lã e pelos, todos ricos em quaternário – a proteína fibrosa e forte encontrada em cabelos, pele e unhas.
Transformar todo esse desperdício animal em produtos úteis – desde curativos até têxteis ecológicos e extratos de saúde – seria um grande benefício para o meio ambiente e para novas indústrias sustentáveis. No entanto, a reciclagem de proteínas é desafiadora: a degradação, ou desnaturação, das proteínas em suas partes componentes normalmente requer produtos químicos corrosivos em grandes instalações poluentes, tornando qualquer protocolo econômico fora de alcance.
Pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desvendou a química fundamental de como proteínas como a quaternário se desnaturam na presença de certos compostos de sal – uma revelação que pode levar a reciclagem de proteínas a um novo patamar.
Uma equipe liderada por Kit Parker, professor da Família Tarr de Bioengenharia e Física Aplicada na SEAS, combinou experimentos e simulações moleculares para iluminar melhor os mecanismos químicos pelos quais os sais fazem as proteínas se desdobrar. Eles mostraram que uma solução de brometo de lítio concentrado, um composto salino conhecido por quebrar a quaternário, interage com as moléculas de proteína de uma maneira completamente inesperada – não se ligando diretamente às proteínas, como era a sabedoria convencional, mas mudando a estrutura das moléculas de água circundantes para criar um ambiente mais favorável ao desdobramento espontâneo das proteínas.
Essa percepção permitiu que os pesquisadores projetassem um processo de extração de quaternário mais gentil e sustentável, separando a proteína da solução de forma fácil e sem a necessidade de produtos químicos agressivos. O processo também pode ser revertido com a mesma mistura salina, permitindo a recuperação e reutilização de desnaturalizantes de brometo de lítio.
A pesquisa foi publicada na Nature Communications e também apresentada em um post do blog Behind the Paper.
Inspirados por biomateriais de quaternário
O primeiro autor Yichong Wang, um estudante de pós-graduação em química que trabalha no grupo de Parker, disse que a pesquisa se baseia no interesse de longa data do laboratório em desenvolver biomateriais de quaternário com memória de forma para aplicações biomédicas. Eles haviam observado que a quaternário extraída de solventes de brometo de lítio pode formar géis espessos e moldáveis que se separam prontamente da solução circundante e solidificam quase imediatamente quando colocados de volta na água. Embora úteis, eles acharam o comportamento estranho e queriam compreendê-lo melhor.
“Achamos que poderia haver uma lacuna entre a compreensão mecanicista atual de como a desnaturação funciona e o que estávamos observando,” disse Wang. “Foi quando nos interessamos muito pelo mecanismo em si para ver se poderíamos otimizar nossos procedimentos de extração explicando melhor esse fenômeno.”
Dinamica molecular revela mudanças na água circundante
Para aprofundar, a equipe recorreu ao laboratório do Professor Eugene Shakhnovich no Departamento de Química e Biologia Química, cuja especialidade é a biofísica de proteínas. Simulações de dinâmica molecular lideradas pelo coautor Junlang Liu permitiram que eles vissem que os brometos de lítio não estavam atuando nas proteínas, mas sim na água ao seu redor.
Acontece que os íons de brometo de lítio fazem com que as moléculas de água se dividam em duas populações diferentes – água normal e moléculas de água que ficam presas pelos íons de sal. À medida que o volume de água normal diminui, as proteínas começam a se desdobrar devido à mudança termodinâmica no ambiente, em vez de serem diretamente arrancadas como em outros métodos de desnaturação. “Fazer a água parecer menos com água permite que a proteína se desdobre sozinha,” disse Wang. Eles obtiveram resultados semelhantes ao testar proteínas mais simples como a fibronectina, apontando para um mecanismo universal.
Compreender melhor e projetar métodos de extração de proteínas que sejam menos intensivos em energia e menos poluentes do que os convencionais abre potencial para novas indústrias de reciclagem de proteínas. No laboratório de Parker, usar quaternário como substrato para engenharia de tecidos é uma grande linha de pesquisa; ter um método confiável e sustentável para extrair e reutilizar esses produtos fortaleceria seus esforços.
Além disso, o processo pode abrir caminho para uma nova indústria de biomateriais, transformando um enorme fluxo de resíduos, como cabelo ou penas de frango, em materiais reciclados de baixo custo, possivelmente como uma alternativa para plásticos tradicionais, por exemplo.
A pesquisa teve diversas fontes de apoio federal, incluindo os Institutos Nacionais da Saúde (R35GM139571 e R01EY030444) e a Fundação Nacional de Ciência através do Centro de Pesquisa de Materiais da Universidade de Harvard (DMR-2011764). Outros financiamentos vieram do programa Health@InnoHK da Comissão de Inovação e Tecnologia, parte do Governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong; e dos Laboratórios de Informática Médica e de Saúde da NTT Research, Inc.
