Bioquímica aplicada à Nanociência e Materiais Avançados

As biomoléculas com suas importantes propriedades físicas e químicas formam um conjunto com muito apelo para aplicações tecnológicas. As biomoléculas e suas estruturas miméticas podem contribuir em diversos processos tecnológicos devido as suas propriedades redox, catalíticas, fotoquímicas e de afinidades específicas. Essas propriedades podem ser aproveitadas para gerar corrente elétrica, como nas biocélulas a combustível, captar energia solar para produzir eletricidade e combustível, produzir biosensores para diagnóstico, produzir nanopartículas metálicas, mudar propriedades de materiais, entre outras. Aqui apresentamos alguns trabalhos desenvolvidos por nossos grupos de pesquisa que ilustram perfeitamente essa diversidade de aplicações.


O condutor iônico de estado sólido é uma parte essencial e crítica de dispositivos eletroquímicos, como baterias e sensores. O iodeto de prata de tamanho nano (AgI) é o condutor iônico mais promissor devido à sua condutividade superiônica à temperatura ambiente. Nos últimos anos, as proteínas têm sido usadas como modelos orgânicos para obter condutores iônicos de estado sólido de alto desempenho, bem como para estender suas aplicações em um biossensor. Aqui, relatamos a síntese ultra-rápida sem precedentes de nanopartículas de AgI revestidas com proteínas termicamente estáveis (NPs) através do método de foto-irradiação para eletrólito no estado sólido.

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Screen Shot 2020-08-05 at 15.35.56A síntese foi realizada utilizando uma β-glucosidase bacteriana hiperestável. As NPs de AgI revestidas com proteína com um diâmetro aproximado de 13 nm mostraram que a transição controlável da fase α para β- / γ foi drasticamente suprimida até 41 ° C no processo de resfriamento. Após a secagem, o produto representa um sistema híbrido orgânico-inorgânico termicamente estável com condutividade superiônica. Vale ressaltar que a condutividade superiônica (σ 0,14 S / cm a 170 ° C) das AgI NPs revestidas com proteínas termicamente estáveis é mantida durante vários ciclos térmicos (25–170 ° C). Para nosso conhecimento, este é o primeiro relatório mostrando a difusão de Ag móvel 14 S / cm a 170 ° C) de AgI NPs revestidos com proteínas termicamente estáveis são mantidos durante vários ciclos térmicos (25–170 ° C). Para nosso conhecimento, este é o primeiro relatório mostrando a difusão de Ag móvel 14 S / cm a 170 ° C) de AgI NPs revestidos com proteínas termicamente estáveis são mantidos durante vários ciclos térmicos (25–170 ° C). Para nosso conhecimento, este é o primeiro relatório mostrando a difusão de Ag móvelíons + na superfície dos AgI NPs através de uma matriz proteica. O método de síntese fácil e o alto desempenho dos NPs AgI revestidos com proteína podem fornecer uma aplicação latente na produção em massa de nanobaterias e outras aplicações tecnológicas.

Para ler o artigo na íntegra acesse https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927776518309391




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A coroa de abacaxi é uma importante fonte de celulose que ainda será desperdiçada por falta de conhecimento sobre seus usos econômicos. O isolamento de nanocristais de celulose (CNC) a partir de resíduos de folhas de coroa de abacaxi (PCL) surge como uma alternativa importante para o uso de resíduos de PCL em aplicações de alto valor agregado, e ainda não foi relatado.

Neste estudo, as CNC foram extraídas com sucesso dos resíduos de PCL usando tratamentos químicos, seguidos de hidrólise ácida usando ácido sulfúrico.

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Os resultados do FTIR confirmaram a remoção dos compostos não celulósicos do PCL através dos tratamentos de mercerização e branqueamento.

SEM e AFM mostraram que o diâmetro das fibras PCL foi reduzido de 18 μm para 39 nm após a reação de hidrólise, resultando em CNC com formato de bastonete.

O CNC obtido apresentou estrutura cristalina de celulose I com alto índice de cristalinidade (73%).

A degradação térmica do CNC iniciou-se a 124°C, o que foi atribuído à presença de grupos sulfato de superfície identificados por análise elementar.

A alta hidrofilicidade do CNC foi verificada por seu alto teor de umidade e absorção. Os resultados mostraram que o CNC isolado do PCL possui propriedades interessantes para serem utilizadas em diversas aplicações de meios líquidos, além de serem utilizadas como reforço em nanocompósitos.

Acesse https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014181301833976X e conheça mais.




Atualmente, as nanoestruturas de celulose (CNS) têm atraído considerável atenção no desenvolvimento de materiais biodegradáveis e de base biológica. Isso ocorreu porque esse biopolímero é o biomaterial mais abundante e disponível no planeta. A celulose pode ser encontrada na forma de microfibrilas em nanoescala na parede celular da planta (Cunha, Zhou, Larsson & Berglund, 2014). Recentemente, o uso da celulose tem sido amplamente estudado devido à sua sustentabilidade, características de renovabilidade, além de baixo custo e alta abundância. Além disso, a nanotecnologia atraiu a atenção para o desenvolvimento de materiais avançados com propriedades como alta área superficial, baixa densidade (ou seja, material de baixo peso para o volume ocupado- gera menores custos de transporte e é mais leve que os materiais não poliméricos) e alta resistência mecânica( Du et al., 2016 ).

Neste estudo, um sistema homogêneo para acetilação de nanocelulose foi investigado.

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Screen Shot 2020-07-29 at 16.47.39Nanoestruturas de celulose (CNS) foram obtidas a partir de celulose microcristalina, e modificações foram realizadas para aumentar a hidrofobicidade e as propriedades físico-químicas das nanopartículas. Ácido sulfúrico e ácido clorídrico foram utilizados para o isolamento. O SNC foi caracterizado com espalhamento dinâmico de luz, potencial zeta, microscopia de força atômica, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, ressonância magnética nuclear, espectrometria de fotoelétrons de raios X, grau de substituição (DS), difração de raios X (DRX) e análise termogravimétrica . As nanoestruturas obtidas com ácido sulfúrico apresentaram menor tamanho de partícula e menor estabilidade térmica. Após a modificação, os resultados indicaram a substituição dos grupos OH na estrutura da celulose pelos grupos acetil. O padrão de DRX foi consideravelmente modificado e verificou-se que a acetilação aumentou a estabilidade térmica. Diferentes métodos foram utilizados para calcular o DS, e as diferenças entre as metodologias foram explicadas. As amostras acetiladas desempenham um papel importante no campo dos nanocompósitos, uma vez que a superfície hidrofóbica aumenta suas aplicações.

A figura à esquerda, mostra o comportamento de estabilidade das suspensões, com variação de tempo. Para a amostra H1, não foi possível observar uma mudança significativa no sistema, mesmo após 6 h de acompanhamento, o que é uma alta indicação da estabilidade da suspensão. Por outro lado, a amostra H2 apresenta alteração visual com 10 min, onde a amostra começa a se aglomerar, demonstrando baixa estabilidade em suspensão aquosa. Esse resultado corrobora os valores do potencial zeta, onde foi observado um maior potencial (em módulo) para a amostra H1 e pode estar associado à presença de grupos sulfato e hidroxila grupos, para H1 e H2, respectivamente. As amostras AC1 e AC2, apesar da presença de grupos acetil, ainda estavam bem dispersas em suspensão aquosa por períodos de até 1 h, e acima desse período observa-se que o sistema começa a aglomerar e decantar. Esse resultado corrobora o indicativo de que, embora não apresente estabilidade eletrostática, o sistema apresenta um mecanismo de estabilidade estérica pela presença dos grupos acetil, uma vez que a suspensão se mostrou estável por tempos baixos.

Screen Shot 2020-07-29 at 16.49.54À direita, a análise morfológica, imagens AFM das nanopartículas obtidas, as quais foram usadas para avaliar com mais detalhes as estruturas formadas. A ação de ambos os ácidos permitiu o isolamento do SNC com uma morfologia muito homogênea, e eles têm uma forma típica alongada de nanofibras de celulose . Geralmente, para a hidrólise ácida, observa-se a formação de nanocristais de celulose , mas também é relatado que, em condições de reação não drásticas, é possível obter nanofibras, como foi o caso (Corrêa, de Teixeira, Pessan, & Mattoso, 2010). Observou-se que as amostras H1 e H2 apresentaram L / D de 11,5 e 8,6 para H1 e H2, respectivamente. Esses valores e a forma das nanofibras são consistentes com o resultado do DLS, que apresentou valores com grande variação.

Conheça todos os detalhes em https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861719304722?via%3Dihub

 




O grupo de pesquisa do Prof. Wendel Alves, em parceria com a empresa Rheabiotech Ltda, desenvolveu um biossensor que utiliza uma blenda polimérica baseada em quitosana e poliamida-6 para imobilizar uma sequência peptídica de reconhecimento de anticorpos específicos a L. infantum (ACS Appl. Electron. Mater. 2019, DOI: 10.1021/acsaelm.9b00476).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.9b00476

A blenda foi escolhida devido à combinação das excelentes propriedades da quitosana (biocompatibilidade) e da poliamida (propriedades mecânicas), sendo utilizada na imobilização de biomoléculas, que são incorporadas por meio de aprisionamento eletrostático, preservando sua estrutura e, portanto, sua bioatividade mesmo quando comparados aos materiais que já são utilizados para tal função. O trabalho mostrou-se promissor, onde foi possível detectar concentrações da ordem de 1 pg mL-1 (enquanto o ELISA chegou a 1 ng mL-1), discriminando de forma clara e objetiva, amostras de soro de humanos contaminados com leishmaniose visceral e humanos sadios.




A espectroscopia vibracional tem sido amplamente empregada para desvendar as propriedades físico-químicas dos sistemas biológicos. Devido à sua alta sensibilidade para monitorar mudanças ” in situ ” em tempo real , a espectroscopia Raman foi empregada com sucesso, por exemplo, em biomedicina, metabolômica e engenharia biomédica. A interpretação dos espectros de Raman nesses casos é baseada na atribuição vibracional do componente das macromoléculas isoladas. Devido a isso, investigar as interações anarmônicas ou mútuas entre partes específicas / cadeias laterais é um desafio.

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Screen Shot 2020-08-04 at 15.04.18Apresentamos um cálculo completo dos modos vibracionais para tecido conjuntivo na região da impressão digital (800 – 1800 cm −1) usando a teoria funcional da densidade dos primeiros princípios. Nossos cálculos foram responsáveis pela complexidade inerente às características espectrais dessa região e marcadores espectrais úteis para processos biológicos foram identificados sem ambiguidade. Nossos resultados indicaram que importantes características espectrais correlacionadas às características moleculares foram ignoradas nas atuais atribuições de bandas espectrais de tecidos. Em particular, descobrimos que a presença de água confinada é responsável principalmente pela complexidade espectral observada.

Screen Shot 2020-08-04 at 15.02.53No presente trabalho, é apresentada uma atribuição detalhada dos modos vibracionais de um tecido conjuntivo baseado no STmod. Até onde sabemos, este é o primeiro relatório da literatura sobre a atribuição vibratória completa para um tecido. Os cálculos foram realizados vibracionais em n ( n – 8), s , 0 e 1 células unitárias de STmod. O índice numérico indica o número de moléculas de água dentro da célula unitária. O índice “s” relacionava-se à presença de água externa que solvatava o 1modelo. A partir de um peptídeo de colágeno hidratado, cada unidade cel foi obtida e os cálculos foram realizados em condições de contorno periódicas. A Figura a direita lado mostra a célula unitária para estruturas 0 , s , 2 e 0 .

Acesse o artigo na íntegra em https://www.osapublishing.org/boe/abstract.cfm?uri=boe-9-4-1728




Novas ferramentas de diagnóstico baseadas na tecnologia fotônica foram desenvolvidas para obter tratamento de cânceres com resultados favoráveis. Uma dessas ferramentas é a biópsia óptica e refere-se a técnicas nas quais a interação tecido-luz é analisada e a informação do estado do tecido é obtida “in vivo” e “ex vivo”. Materiais biológicos foram caracterizados com sucesso usando esses tipos de técnicas. A espectroscopia vibracional,  técnica de espalhamento Raman e infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), é de particular interesse devido à sua alta sensibilidade na detecção de alterações bioquímicas e moleculares nos tecidos biológicos [7-11]. Em particular, os modos vibracionais associados a importantes componentes bioquímicos das células podem ser utilizados como marcadores na identificação de alterações metabólicas sofridas pela célula durante o processo de carcinogênese.

Screen Shot 2020-08-06 at 14.33.53Neste trabalho, alterações na região espectral da amida (1500–1700 cm-1) sondadas por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) foram relatadas comparando tumores e tecidos normais.

As alterações observadas nos espectros de FTIR do carcinoma de células escamosas em comparação com tecidos normais foram analisadas por Cáculos vibracionais via teoria do funcional da densidade .

Modelos computacionais para o modelo de pele (C0, C1, C4 e D1) e protótipo de folha β foram empregados.

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Screen Shot 2020-08-06 at 14.24.48Geralmente, as bandas nesta gama são atribuídos para o chamado amida I, II, III e vibrações que proporcionam elementos de informação relativos ligações peptídicas e estrutura secundária ( α hélice, β folha-) de proteínas.

As alterações na dobragem de proteínas devido ao processo tumoral são geralmente consideradas como explicação qualitativa das diferenças observadas entre o tumor e os tecidos normais.

Nossos achados mostraram que predomina Amida I + Amida II, Amida V, torções de metileno e torções de cadeias laterais dos anéis e vibrações oscilantes nessa região.

Notamos também a falta de evidências a respeito de alterações na estrutura secundária do modelo peptídico da folha β para explicar as diferenças espectrais.

De fato, concluímos que o aminoácido prolina tem a principal regra para explicar os dados nessa região, sendo responsável pelo forte acoplamento entre vibrações em vez de água.

Para ler o artigo na íntegra e as referências numéricas acesse  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924203118301371




Um trabalho liderado pela Profa. Iseli Nantes entitulado pH-Dependent Synthesis of Anisotropic Gold Nanostructures by Bioinspired Cysteine-Containing Peptides, envolvendo nanopartículas metálicas biocompatíveis fora recentemente publicado na revista ACS Omega. Este artigo descreve, de forma comparativa, a capacidade de peptídeos contendo o aminoácido cisteína como agentes redutores e estabilizantes no processo de síntese de nanopartículas de ouro. Foram sintetizados dois peptídeos alcalinos (AAAKCK e AAARCR) inspirados no sítio ativo da enzima antioxidante tioredoxina.

Nesses peptídeos, assim como na tioredoxina, a presença de um aminoácido básico, ou seja, carregado positivamente na faixa de pH de zero até aproximadamente 9, diminui o pKa do grupo tiol (-SH) da cisteína, ou seja, torna esse grupo mais ácido e, consequentemente, favorece seu poder redutor em uma faixa de pH mais ampla. De fato, a titulação do peptídeo AAAKCK revelou que o pKa da cadeia lateral da cisteína baixou de 8,3 para 7,7. Esses dois peptídeos foram comparados com seus pares neutro e ácido, AAAACA e AAAECE, respectivamente, com glutationa ECG e o aminoácido cisteína, quanto à capacidade de atuarem como agentes redutores e estabilizantes no processo de síntese de nanopartículas de ouro na faixa de pH de 2 a 11. Ao lado é mostrado peptídeos alcalinos inspirados no sítio ativo da tioredoxina, cuja estrutura é mostrada à esquerda com zoom na região do sítio ativo contendo cisteína 32 e 35 que vizinha da lisina 36, responsável pelo maior poder redutor do grupo tiol. Os resultados mostraram que somente o peptídeo AAAKCK foi eficiente para a síntese de nanopartículas de ouro na faixa de pH de 2 a 11. Contudo, o pH teve forte efeito no tamanho e forma das nanopartículas que apresentaram estrutura anisotrópica quando sintetizadas em pH ácido e forma esférica quando sintetizadas em pH alcalino (Figura 2). As nanopartículas de ouro sintetizadas com uso de AAAKCK apresentaram valor de potencial zeta negativo, porém menos negativo do que as nanopartículas descobertas. O peptídeo AAARCR produziu nanopartículas de ouro somente em pH 3, 9 e 10, com potencial zeta positivo, sendo a maior eficiência somente na faixa alcalina. Os peptídeos ácidos requereram polietilenoglicol para a síntese de nanopartículas de ouro e g-ECG também requereu aquecimento para produzir nanopartículas de ouro.

Rota de síntese de nanopartículas de ouro, em diferentes valores de pH com uso de diferentes peptídeos, conforme indicado acima.Em valores ácidos de pH, o equilibrio  do peptídeo AAAKCK está deslocado para a forma protonada do grupo tiol da cisteína. Nessa condição, a lisina tem significativo papel como agente redutor e o grupo SH disponível fornece o recobrimento que direciona o crescimento anisotrópico das partículas. A medida que se aumenta o pH, o equilíbrio se desloca para a forma com grupo tiol desprotonado (-S) com repercussões nas propriedades de recobrimento do peptídeo  (Figura 1.3).

Efeito do pH sobre a síntese e recobrimento de nanopartículas de ouro sintetizadas com o peptídeo AAAKCK. Portanto, os peptídeos são biomoléculas muito versáteis para a síntese de nanopartículas metálicas. Escolhas de sequências específicas de aminoácidos permite modular forma e tamanho de nanopartículas metálicas para toda uma diversidade de aplicações.




Um outro trabalho muito interessante desenvolvido em colaboração entre o Prof. Derval Rosa e Profa. Iseli envolvendo a mesma área de pesquisa tem atraído muita atenção da comunidade científica.  Mais especificamente, o artigo Biological Oxidative Mechanisms for Degradation of Poly(lactic acid) Blended with Thermoplastic Starch  publicado em ACS Sustainable Chem. Eng. volume 3 de 2015 discute pesquisa na área ambiental.

O manuscrito descreve o efeito da mistura de amido termoplástico (TPS) no processo de degração ambiental do poliácido lactico (PLA). O artigo caracteriza, de forma comparativa, por métodos espectroscópicos e por imagem de microscopia eletrônica de varredura, a degradação do PLA e de misturas PLA/TPS em solo simulado e in vitro, por sistema modelo oxidativo composto por peróxido de hidrogênio e/ou mioglobina. O sistema modelo permitiu propor um mecanismo bioquímico responsável pela degradação. Os resultados demonstraram que aditivos tais como peróxidos e metais de transição assim como a mistura com TPS contribuem significativamente para a degradação oxidativa do PLA que é uma importante solução ao grande problema de resíduos sólidos representados pelos polímeros. O painel abaixo mostra mudanças superficiais macroscópicas de PLA (A), PLA/5%TPS (B) e PLA/10%TPS (C) associadas com perda de massa plotada por cima das fotos.

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iseli_imagem_04_3Mudanças nos espectros FTIR e de superfície (imagens de microscopia eletrônica de transmissão) de PLA/5%TPS antes e após a degradação no solo. Linha azul antes, preta e vermelha, duas regiões do material após a degradação.

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Acima, é descrito o provável mecanismo oxidativo envolvido na degradação. O processo de degradação dos três materiais foi analisado por mudanças macroscópicas, microscópicas, perda de massa e alterações moleculares por FTIR. Todas as análises mostraram que a presença de amido favoreceu o processo de degradação no solo. As amostras dos três materiais foram submetidas a agentes oxidantes in vitro: tert-butilhidroperóxido, mioglobina e mioglobina ativada por tert-butilhidroperóxido. As análises de imagem e FTIR dos materiais degradados in vitro demonstraram um processo semelhante ao que ocorre no solo. Também de forma interessante, o peróxido e a mioglobina isoladamente produziram significativa degradação. Isso levou a duas conclusões, ou seja, que a degradação no solo provavelmente envolve mecanismo oxidativo com intermediários radicais livres tais como mostrado na Figura 2.3 e que a presença de traços de metais de transição e de peróxidos respondem, respectivamente pelo poder oxidativo do tert-butilhidroperóxido e da mioglobina adicionados isoladamente. O fato de que o mecanismo oxidativo é importante para o processo de degradação do PLA no solo explica porque a presença da biomolécula TPS foi favorável. Esse trabalho traz importante contribuição ao grande problema de resíduos sólidos representados pelos plásticos.