DESTAQUES CIENTÍFICOS

Câncer, vírus, espuma ecológica, machine-learning, enzimas e fungos foram somente alguns dos temas de artigos de destaque publicados por pesquisadores do CNPEM entre 2020 e 2021.

As pesquisas internas do CNPEM são voltadas para temas de interesse do Brasil em setores como saúde, energia, novos materiais, meio ambiente e tecnologias quânticas. Os projetos são bases influentes e confiáveis de conhecimento para a comunidade científica nacional e internacional. Estudos desenvolvidos no Centro têm à sua disposição infraestrutura de ponta, especialistas críticos e experientes atuando em um ambiente multidisciplinar aberto a desafios disruptivos e visionários.

Agências Financiadoras

FAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

INCT-INOMAT – Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Materiais Complexos Funcionais

INCTBio – Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Bioanalítica

VÍRUS

A inédita anatomia do Mayaro

A PRIMEIRA ESTRUTURA VIRAL COMPLETAMENTE ELUCIDADA NO BRASIL DESCREVE CARACTERÍSTICAS INÉDITAS E FUNDAMENTAIS DO VÍRUS MAYARO. ESTUDO FACILITARÁ O DESENVOLVIMENTO DE NOVOS MÉTODOS DE DIAGNÓSTICO, MEDICAMENTOS E IMUNIZANTES CONTRA MAIS UMA DOENÇA TRANSMITIDA POR MOSQUITOS.

Pela primeira vez no Brasil e na América Latina, a estrutura completa de um vírus foi elucidada. O feito é de uma equipe multidisciplinar de pesquisadores do CNPEM. O trabalho publicado na revista Nature Communications revelou detalhes inéditos da estrutura molecular do vírus Mayaro, com resolução de 4.4 angstrom, aproximadamente 100 mil vezes menor que a espessura de um fio de cabelo.

O vírus, que foi primeiramente identificado em Trinidad e Tobago ainda na década de 1950, se espalhou pelas Américas. A doença infecciosa transmitida por mosquitos, conhecida como Febre do Mayaro, provoca dores nas articulações que podem perdurar por meses. A Febre do Mayaro é uma das doenças endêmicas negligenciadas no Brasil, com dificuldades de diagnóstico e sintomas muito parecidos com os da Chikungunya, que prejudicam muito o planejamento de estratégias de controle.

O trabalho contou com a dedicação de 20 pesquisadores e colaboradores ao longo de três anos e meio, empregou equipamentos sofisticados de Criomicroscopia Eletrônica e técnicas avançadas de biologia para revelar a estrutura do vírus.

“Neste trabalho descrevemos a partícula infecciosa do vírus Mayaro, incluindo todas as proteínas que o compõem. Foram usadas técnicas que permitiram observar detalhes da biologia do vírus que não tinham sido descritos em outros trabalhos, e que representam um avanço em nossas capacidades de combate e entendimento da doença”,  explica Rafael Elias Marques, pesquisador do CNPEM.

Uma das principais técnicas adotadas para revelar a estrutura viral foi a criomicroscopia eletrônica. O método, que permite enxergar a estrutura atômica tridimensional de moléculas biológicas, foi tema de prêmio Nobel em 2017 e vem sendo amplamente empregado para compreender detalhes de outros vírus, como o SARS-CoV-2.

“No CNPEM, operamos um parque de microscopia eletrônica único na América Latina. Esse conjunto de equipamentos é aberto para uso gratuito da comunidade científica e foi formatado para conferir competitividade internacional às pesquisas brasileiras em biologia estrutural. Esse trabalho é um exemplo marcante deste potencial”, explica o pesquisador do CNPEM, Rodrigo Portugal.

Imagem que representa a estrutura do vírus Mayaro revela a partícula viral – em parte aberta para possibilitar a visualização de todas as suas proteínas. Cada uma das proteínas que forma a partícula viral está representada por uma cor (verde, cinza e vermelho). Os açúcares que são ligados às proteínas estão em laranja

HANDSHAKE

Na estrutura, revelada pela primeira vez, um dos detalhes que chamam atenção são as cadeias de açúcares ligadas na proteína E2. Estes açúcares estão voltados uns para os outros em uma configuração que se assemelha a um aperto de mãos e que, portanto, foi apelidada de “handshake” (aperto de mãos). Os pesquisadores acreditam que esses açúcares, além de serem reconhecidos pelo sistema imunológico, podem ajudar o vírus a se organizar e ficar mais estável. A função dessa parte específica do vírus está entre os temas que continuarão sendo estudados pelos pesquisadores.

“Quando conhecemos em detalhes as proteínas que compõem a estrutura de um vírus, conseguimos diferenciá-lo de outros vírus existentes, colaborando para o desenvolvimento de um diagnóstico mais específico da doença. Além disso, podemos identificar de forma racional moléculas que sejam capazes de se ligar ao vírus e inibir sua replicação ou entrada na célula humana, levando ao desenvolvimento de medicamentos que podem combater a infecção”, explica Helder Ribeiro, pesquisador do CNPEM.

doi.org/10.1038/s41467-021-23400-9
Agências financiadoras: FAPESP, CNPq, CAPES, Serrapilheira
IMUNIDADE

Câncer de pele sem disfarces

ESTUDO REVELA DETALHES INÉDITOS DE PROCESSO IMUNOLÓGICO ÚTIL NO DESENVOLVIMENTO DE VACINAS PARA TRATAMENTO DE CÂNCER.
Caracterização
de vesículas
extracelulares usando
microscopia eletrônica
Caracterização de vesículas extracelulares usando microscopia eletrônica

Vesículas extracelulares de células tumorais modificadas geneticamente podem ser a chave para o desenvolvimento de terapias que buscam vacinas capazes de ativar o sistema imunológico no tratamento de câncer. É o que revela um estudo publicado na revista científica Scientific Reports, realizado por pesquisadores do CNPEM.

Marcio Chaim Bajgelman, que coordena a equipe de pesquisa, explica que o que se pretende com o desenvolvimento de vacinas antitumorais, diferentemente daquelas profiláticas, capazes de prevenir doenças, é encontrar mecanismos seguros e eficientes de tratamento para o câncer, tão logo ele seja diagnosticado.

Desde 2017 o CNPEM publica estudos para desenvolvimento de novos tratamentos contra o câncer de pele, com ótimos resultados no uso de células tumorais geneticamente modificadas para expressão de combinações de imunomoduladores específicos.

A eficiência da ativação do sistema imunológico a partir do contato direto entre células modificadas para expressar os imunomoduladores na superfície de linfócitos já foi anteriormente demonstrada. Os ensaios em células animais demonstraram não apenas a eliminação de tumores, mas a capacidade de reação em caso de reaparecimento da doença.

OS LINFÓCITOS PODEM RECEBER SINALIZAÇÕES ATIVADORAS MESMO SEM CONTATO DIRETO COM VACINAS ANTITUMORAIS.

A observação de que células T (do sistema imunológico) podiam ser ativadas também quando imersas no mesmo meio de cultura em que previamente tinham sido cultivadas as células tumorais geneticamente modificadas estimulou uma nova fase de pesquisa, dessa vez para buscar proteínas imunomodulatórias (que controlam a imunidade) na composição desse meio condicionado.

“Observamos que essas proteínas que buscávamos na verdade eram vesículas extracelulares que carreavam proteínas imunomodulatórias com ação antitumoral”,  revela Bajgelman.

Nos ensaios in vitro (em laboratório), verificou-se que vesículas extracelulares provenientes de células modificadas induziram a proliferação de células T e inibiram um imunossupressor das células T reguladoras. Como as células T reguladoras podem inibir a atividade de linfócitos antitumorais, a redução da atividade imunossupressora pode potencializar o efeito de terapias antitumorais.

As vesículas extracelulares são uma conhecida forma de interação entre células. Como são produzidas naturalmente por todas as células, especialmente em grandes quantidades pelas tumorais, é possível se pensar em usá-las para o desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas para o tratamento de câncer, em que as vesículas “engenheiradas” podem carrear imunomoduladores para estimular o sistema imunológico contra células tumorais, como esclarece o pesquisador:

“As células tumorais se valem de artifícios para serem toleradas pelo nosso sistema imunológico. Nosso desafio é quebrar essa tolerância, tornando o sistema imunológico capaz de reconhecer com mais eficiência especificamente essas células que precisam ser eliminadas”.

Ainda segundo Bajgelman, embora os ensaios tenham sido feitos com células de melanoma, a revelação de detalhes sobre o papel das vesículas extracelulares na modulação do sistema imunológico abre perspectivas inovadoras para a pesquisa voltadas ao desenvolvimento de vacinas antitumorais para outros tipos de câncer.

doi.org/10.1038/s41598020-72122-3

Agências financiadoras: FAPESP e CAPES

INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL
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MÁQUINAS QUE DIAGNOSTICAM

CNPEM USA MACHINE LEARNING EM NOVA PROPOSTA DE DISPOSITIVO PARA DIAGNÓSTICO DE DOENÇAS SEM USO DE REAGENTES E ANTICORPOS.

Em artigo publicado na revista ACS – American Chemical Society, pesquisadores do CNPEM apresentam a proposta de um novo conceito de análise clínica que baseia-se no uso de um sensor eletroquímico microfluídico e modelos de machine learning com potencial para tornar mais prático e econômico o diagnóstico e prognóstico de diversas doenças. O método também visa obter resultados seguros sem a dependência de insumos caros e escassos como anticorpos.

NA PONTA DO LÁPIS

O dispositivo microfluídico usa materiais de baixo custo. Os eletrodos de grafite, constituídos de minas de lápis, do mesmo tipo usado em lápis escolares, atuam como sensores de padrões eletroquímicos. Conectados a um equipamento portátil capaz de medir a impedância da corrente elétrica (potenciostato) e a um smartphone é possível determinar, em menos de 15 minutos, a presença e a concentração de biomarcadores de interesse em amostras com mínimos volumes de sangue. “São dados que não só contribuem para a triagem de casos, mas podem também dar referências de prognóstico de evolução da doença em cada paciente”, esclarece o pesquisador do CNPEM e líder do estudo, Renato Sousa Lima.

CÂNCER DE MAMA

O estudo descreve a aplicação do método para diagnóstico de câncer de mama em amostras de sangue de camundongos. Estruturas lipídicas extracelulares e as proteínas presentes na sua membrana foram usadas como biomarcadores do tumor de Ehrlich para identificar animais sadios e com o tumor. O método também permitiu a quantificação simultânea desses dois biomarcadores, que contribuem para uma análise do estágio do câncer de mama com acurácia elevada”. O grupo realizou o preparo das amostras em parceria com o Instituto de Química da USP em São Carlos (IQSC/USP).

MACHINE LEARNING

Cada amostra de sangue gera um espectro único de capacitância, que serve como impressão digital, e pode gerar até 100 variáveis. A identificação dos padrões específicos de interesse é tarefa para o modelo computacional de machine learning, “uma classe de métodos capaz de descobrir padrões usando apenas os dados observados, sem ser explicitamente programado, o que permite que se torne ainda mais eficiente à medida que novas amostras são incluídas no banco de dados do teste”, explica Adalberto Fazzio, pesquisador e atual diretor da Ilum Escola de Ciência, recém-inaugurada pelo CNPEM.

Esse estudo ainda conseguiu se valer de um padrão matemático (algoritimo) com robustez estatística. “Mesmo com um pequeno número de amostras (12) para aquisição do algoritmo, ele demonstrou poder de exatidão e deve se tornar ainda mais eficiente com a incorporação de dados de mais amostras no futuro”, reforça Renato Sousa Lima.

CARACTERÍSTICAS DO DISPOSITIVO

PRODUÇÃO SIMPLES E ESCALONÁVEL.
A partir de 1 mil unidades estima-se que poderia ter um custo unitário de U$ 0,60 ou pouco mais de três reais no câmbio de dezembro de 2021;

POTENCIOSTATO PORTÁTIL PARA MEDIDAS ELETROQUÍMICAS
comerciais podem ser adquiridos por dois mil reais, mas podem ser construídos facilmente, uma vez que a sua eletrônica é de conhecimento público, a um custo estimado em quinhentos reais; 

SENSOR ELETROQUÍMICO MICROFLUÍDICO
(0,60 US$)

SMARTPHONE

Câncer de mama: células cancerígenas gigantes poliplóides (PGCC)

SIMPLICIDADE E TELEMEDICINA

Além de esforços em ciência e engenharia, os autores fizeram uso da tecnologia para trazer simplicidade e telemedicina às análises. Um smartphone foi usado para controle de um equipamento portátil para medidas eletroquímicas, aquisição e tratamento dos dados do sensor por machine learning e, finalmente, apresentação do resultado de interesse em sua tela, eliminando qualquer etapa de processamento de dados pelo usuário. Além de promover simplicidade à análise, o uso do smartphone pode ser muito útil como ferramenta de auxílio a programas de saúde em regiões remotas do país. Os dados obtidos nos exames podem ser compartilhados rapidamente e as informações contribuírem para ações estratégicas, como encaminhamento de pacientes para os centros de tratamento mais próximos.

FASES DO TESTE

É necessária uma etapa de preparo da amostra de sangue antes de ser levada para o dispositivo de diagnóstico. O processo leva cerca de dez minutos, é simples e tem custo estimado em pouco menos de cinquenta reais por amostra. A análise pelo sensor leva menos de cinco minutos e o resultado do diagnóstico é mostrado automaticamente na tela do smartphone.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.0c00599
Agências financiadoras: FAPESP, INCTBio

ENZIMAS

Replicando a força da natureza uma enzima após a outra

INSPIRADOS PELA NATUREZA, PESQUISADORES DO CNPEM BUSCAM ENTENDER A ORGANIZAÇÃO DE ESTRUTURAS INVISÍVEIS QUE SÃO CAPAZES DE REVOLUCIONAR O MODO COMO O MUNDO PRODUZ.
EnzimAposOutra- beta-galactosidase

Representação da estrutura cristalográfica de uma enzima beta-galactosidase. Pesquisadores utilizam estratégias de cristalização e técnicas de difração de raios X, hoje presentes nas linhas do Sirius, para obter os dados e posteriormente visualizar as estruturas em computador.

Entender o que não pode ser visto. Lidar com o desconhecido. Decompor conceitos em formas e recompor tais formas em máquinas biológicas. Desvendar o universo latente das enzimas passa por todas essas etapas, e superar seus mistérios exige muita ciência e criatividade. Invisíveis a olho nu, enzimas (em sua maioria proteínas) são conhecidas por serem catalisadoras – moléculas capazes de acelerar reações químicas essenciais ao funcionamento de sistemas orgânicos complexos, como o corpo humano.

Mas o corpo é apenas uma pequena amostra da polivalência associada à atuação das enzimas. Elas estão por todos os cantos e são utilizadas em uma infinidade de processos, da produção de vacinas à neutralização da lactose no leite para intolerantes; da obtenção de biocombustíveis ao desenvolvimento de químicos renováveis.

Na esfera da produção de bioprodutos, por exemplo, é possível aplicar enzimas a resíduos agroindustriais abundantes, como bagaço de laranja, cana-de-açúcar, palha e outros materiais que até pouco tempo eram tidos como resíduos de baixo valor agregado. Esse processo, conhecido como clivagem, permite obter ácidos, solventes, polímeros e biocombustíveis avançados, sempre a partir de fontes renováveis e a partir de abordagens biológicas.

Enzimas são, portanto, ferramentas capazes de substituir por completo reagentes baseados em petróleo, que hoje são aplicados à transformação de moléculas em produtos de alto valor agregado. A mudança de uma matriz petrolífera para a biológica apresenta a mesma eficácia, mas com impacto ambiental drasticamente reduzido. O desafio está em encontrar as enzimas mais adequadas para executar cada uma das aplicações pretendidas.

Identificar essas moléculas e aplicá-las às melhores tarefas é um trabalho que mobiliza grandes equipes e instrumentação de ponta baseada em luz síncrotron, ferramentas ômicas e bioinformática. Entre 2020 e o primeiro semestre de 2021, pesquisadores do CNPEM identificaram um grupo de enzimas inédito e elucidaram o mecanismo de ação de outra proteína. No estudo publicado em 2020 na Nature Chemical Biology, cientistas revelaram como uma nova família de enzimas aplicava mecanismos e estratégias inovadoras para romper polissacarídeos vegetais e gerar subprodutos de interesse, como prebióticos e biocombustíveis.

Em 2021, desta vez na Nature Communications, um novo estudo quebrou paradigmas ao revelar que enzimas ativas sobre hemicelulose são capazes de clivar ligações glicosídicas (fazer a conversão de substratos em produtos) por duas rotas catalíticas, algo até então inesperado. Rota ou itinerário catalítico, no jargão científico, representa as modificações químicas e estruturais que o substrato (polissacarídeos, carboidratos, entre outros) sofre pela ação da enzima até que seja convertido em produto. Esse conjunto de modificações era considerado único para uma dada enzima e seu substrato, mas a pesquisa descreveu caminhos capazes de modificar o entendimento teórico.

BUSCANDO INSPIRAÇÃO EM TUDO O QUE NOS CERCA

Os dois trabalhos têm uma inspiração em comum: a natureza. Fungos e bactérias são máquinas de produção de enzimas. Quando um patógeno ataca uma planta, por exemplo, a violação da barreira física acontece por meio de enzimas que desintegram a parede celular vegetal e permite que o hospedeiro se aloje. Apesar dos efeitos indesejáveis para as plantas, é para esse tipo de estratégia que os pesquisadores estão olhando. “Observamos a natureza e formulamos hipóteses. Se uma enzima é capaz de quebrar a barreira física de plantas, talvez ela consiga fazer o mesmo com resíduos agroindustriais, acessando açúcares aprisionados tornando-os disponíveis para fermentação e conversão em produtos”, exemplifica Mario Murakami, autor principal dos estudos.

Absorver esse conhecimento e reproduzir em laboratório é outra frente importante do Laboratório. O CNPEM desenvolve plataformas biológicas (microrganismos) “engenheirados” por meio de modificações genéticas e que podem ser customizados para produzir enzimas sob medida, com potencial de aplicação em diferentes atividades. “Nosso objetivo é simples: emular e aperfeiçoar estratégias moleculares encontradas na natureza que vem sendo esculpidas por centenas de milhões de anos”, esclarece.

No CNPEM, enzimas são submetidas a técnicas de cristalografia com radiação sincrotron por meio do Sirius, por exemplo, para viabilizar a visualização da estrutura tridimensional. Outros passos incluem modificações em sua organização molecular, testes laboratoriais e escalonamento em Planta Piloto para verificar a viabilidade de aplicação dos processos em ambientes supercríticos, como os industriais.

 

ENZIMAS TRABALHAM SOZINHAS?

A máxima “várias cabeças pensam melhor do que uma” pode ser extrapolada às enzimas. De modo geral, enzimas diferentes são sinergicamente combinadas para que uma determinada atividade seja realizada. Por exemplo, a desmontagem de resíduos agroindustriais em açúcares fermentescíveis, que requer um verdadeiro arsenal enzimático constituído por dezenas de enzimas, que chamamos de coquetéis enzimáticos. “Essas formulações enzimáticas são combinações complexas que permitem extrair componentes de resíduos agroindustriais que são passíveis de serem biotransformados em produtos de interesse à sociedade”.

O CNPEM tem experiência com coquetéis, sendo que um deles, elaborado para a produção de etanol celulósico (também chamado etanol de segunda geração) foi patenteado em 2019 junto ao Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) via Patent Cooperation Treaty (PCT). Desta forma, o Centro possui domínio de todas as etapas que compõem a artilharia enzimática: engenharia das plataformas biológicas (microrganismos que produzem as enzimas), customização das enzimas e desenvolvimento dos coquetéis.

Essas características colocam o Brasil em posição de destaque tanto em termos científicos quanto tecnológicos. O domínio da cadeia de desenvolvimento e produção de enzimas permite que o País seja competitivo, que a indústria importe menos e, consequentemente, diminua sua pegada de carbono, por poder contar com produções locais de enzimas, até mesmo onsite.

OS ARTIGOS MENCIONADOS NO TEXTO ESTÃO ACESSÍVEIS EM:

doi.org/10.1038/s41589-020-0554-5
Agências financiadoras: FAPESP e CNPq

doi.org/10.1038/s41467-020-20620-3
Agências financiadoras: FAPESP, CNPq, Spanish Ministry of Science and Innovation (MICINN, AEI/FEDER, UE), Spanish Structures of Excellence María de Maeztu e Agency for Management of University and Research Grants (AGAUR).

NANOTOXICOLOGIA

DESINFETA ATÉ NA NANOESCALA

ÁGUA SANITÁRIA PODE REDUZIR TOXICIDADE DE ÓXIDO DE GRAFENO.

Degradação e descarte de resíduos de nanomateriais com segurança é um desafio tecnológico que o CNPEM investiga para prevenir impactos sobre a saúde humana e ambiental.

O óxido de grafeno é um estratégico nanomaterial à base de carbono, promissor para segmentos da indústria que dominam a tecnologia de ponta, agregando novas e/ou alterando características, como viscosidade, resistência mecânica, condutividade elétrica a produtos como tintas, filtros, embalagens, catalisadores, dispositivos eletrônicos, materiais biomédicos, construção civil e muitos outros.

Diferentemente de outras fases do desenvolvimento tecnológico e industrial, a era da nanotecnologia chega com a consciência global e de que a incorporação de novos materiais deve vir acompanhada de maiores cuidados com a gestão de resíduos, considerando o ciclo de vida completo do produto. Desde a matéria-prima, passando pela manufatura até o descarte, e sempre considerando a sustentabilidade dos processos.

O compromisso com aspectos de saúde, ambiente e segurança é uma das referências que norteiam as pesquisas com nanomateriais desenvolvidas no CNPEM. Nesta linha, um estudo recente revela um método químico simples e promissor para degradar e reduzir a toxicidade de óxido de grafeno.

O estudo, publicado na revista Chemosphere, descreve resultados obtidos com a degradação química do nanomaterial de grafeno utilizando um produto muito comum e de baixo custo: o hipoclorito de sódio, conhecido como água sanitária.

Imagens de microscopia hiperespectral de campo
escuro (EDHM) do nematóide modelo C. elegans: a)
controle; b) expostos ao oxido de grafeno e c) expostos
ao óxido de grafeno degradado. Os pontos vermelhos
indicam os materiais de grafeno aderidos na cutícula
e intestino do organismo após 24 horas de exposição.
Imagens de microscopia hiperespectral de campo escuro (EDHM) do nematóide modelo C. elegans: a) controle; b) expostos ao oxido de grafeno e c) expostos ao óxido de grafeno degradado. Os pontos vermelhos indicam os materiais de grafeno aderidos na cutícula e intestino do organismo após 24 horas de exposição.

O ESTUDO

De acordo com a pesquisa, o nanomaterial óxido de grafeno se degrada e se torna muito mais solúvel e menos tóxico após incubação com água sanitária por uma semana.

“As partículas de óxido de grafeno degradadas ficam com tamanhos menores que 30 nanômetros de diâmetro. Enquanto as sem modificação ou não degradadas, estão com, em torno de, 150 nanômetros de diâmetro”, revela o pesquisador Diego Martinez.

Em muitos casos a redução de tamanho das partículas poderia aumentar os riscos toxicológicos do grafeno e torná-lo mais perigoso. Para investigar a toxicidade, o organismo modelo empregado foi o C. elegans (Caenorhabditis elegans), um nematóide de 1 milímetro de tamanho, isolado de solos e comumente utilizado em toxicologia. O contato com o nanomaterial óxido de grafeno afetou a sobrevivência, crescimento e reprodução dos organismos; o que não foi observado para os organismos expostos com o material degradado. Para confirmar a interação e absorção oral dos nanomateriais foram usados recursos de microscopia hiperespectral, uma técnica avançada que permite rastrear nanopartículas dentro de tecidos biológicos com alta resolução.

“Após a degradação do óxido de grafeno, nós verificamos uma redução da toxicidade aguda em, aproximadamente, 100%; além de ausência de efeitos sobre a fertilidade e reprodução dos organismos. Então imaginamos que esse pode ser um método útil para mitigar riscos e descartar resíduos materiais à base de grafeno com segurança”, explica Diego.

 

PRÓXIMOS PASSOS

O trabalho contribuiu para melhor compreensão da transformação de materiais à base de grafeno e sua relação com toxicidade (mitigação), fundamentais para aprimorar os métodos de gestão de resíduos gerados por esse tipo de material durante seu ciclo de vida, porém, mais estudos complementares são necessários para exploração tecnológica desta metodologia.

“Obviamente, vamos ter que testar esses materiais de grafeno degradados sobre outros organismos modelo, como bactérias, algas, peixes e células de humanos. Já estamos fazendo isso, e também estamos estudando as interações com outros materiais presentes em efluentes, visando entender de maneira integrada seus potenciais efeitos sobre organismos vivos e impactos no meio ambiente”, finaliza Diego Martinez.

doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.130421
Agências financiadoras: CAPES e INCT-INOMAT

Nanotecnologia contra a contaminação ambiental

PESQUISA DESVENDA MECANISMOS DE AÇÃO DE NANOPARTÍCULAS DE FERRO
USADAS NA DESCONTAMINAÇÃO DE AQUÍFEROS.

Imagens mostram, da esquerda para a direita, a degradação gradual de gotículas de TCE (em vermelho) pelas nanopartículas de ferro (em verde) com formação de gases (em amarelo).

Hidrocarbonetos clorados estão entre os contaminantes mais persistentes em aquíferos em todo o mundo. O problema é característico de regiões industrializadas, onde essas substâncias foram muito utilizadas, até a década de 1980, como solventes, desengraxantes, em esmaltes para pintura de automóveis, entre outras aplicações. Quantidades muito pequenas destes poluentes são suficientes para tornar essas águas impróprias para consumo humano, por causarem danos aos rins, fígado e, também, câncer.

Por serem mais densos que a água, os hidrocarbonetos clorados afundam uma região menos permeável, geralmente o leito de um aquífero. Ali, nos poros das rochas, os poluentes persistem por muitos anos e vão sendo lentamente carregados pelas águas, e levados para regiões distantes da origem da contaminação.

Assim, em pesquisa publicada no periódico PNAS, Nathaly Archilha, mais pesquisadores do CNPEM e colaboradores, investigaram a utilização de nanopartículas de ferro, elemento químico muito reativo, para a degradação de um desse poluentes, o tricloroetileno (TCE). Apesar deste efeito de degradação já ser conhecido, o grupo mostrou pela primeira vez como essa reação ocorre em uma condição similar à de um aquífero real, ou seja, o que acontece nos poros das rochas durante a interação entre nanopartículas e contaminantes.

doi.org/10.1073/pnas.1918683117
Agências financiadoras: FAPESP, UK Research and Innovation (UKRI), Teesside University
NANOMATERIAIS

Espuma feita a partir de materiais naturais mostra eficiência na absorção de óleos e solventes

COMPOSTO INOVADOR DE NANOFIBRAS DE CELULOSE E LÁTEX DE BORRACHA
NATURAL FOI ASSUNTO DE CAPA DA REVISTA ACS APPLIED NANO MATERIALS.

Pesquisadoras do CNPEM desenvolveram um processo 100% verde para produção de um tipo de espuma que pode ser muito útil em tarefas de descontaminação de poluentes em água.

O material, obtido a partir da combinação de fibrilas de nanocelulose e látex de borracha natural, demonstrou excelente capacidade de absorção de diversos tipos de óleos e solventes orgânicos. O artigo científico com detalhes dos experimentos foi assunto de capa da revista ACS Applied Nano Materials do mês de novembro de 2020.

O processo de produção da espuma chama a atenção porque não usa nenhum produto derivado de petróleo, somente materiais naturais abundantes na natureza e água como solvente. A pesquisadora Rubia Figueredo Gouveia, que coordenou o estudo, explica que a nanocelulose sozinha não tem uma eficiente afinidade para absorver os poluentes analisados e ainda tem uma estrutura frágil, que se desfaz com muita facilidade em contato com água.

“A combinação com o látex de borracha natural é que dá a robustez necessária para a estruturação 3D do material, e a capacidade de absorver os poluentes”.

Percentual de compressão da espuma e
imagens das fibras sob pressão.
Percentual de compressão da espuma e imagens das fibras sob pressão.
doi.org/10.1021/acsanm.0c02203
Agências financiadoras: CNPq

CAPACIDADE DE ABSORÇÃO
DAS ESPUMAS DE NANOCELULOSE
E LÁTEX
DE BORRACHA NATURAL
PARA DIVERSOS SOLVENTES ORGÂNICOS E ÓLEOS

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EFICIÊNCIA PATENTEADA

A inovação patenteada pelo CNPEM, tem diversas possibilidades de aplicação em filtros e processos de remediação do meio ambiente, demonstrou ter alcançado características ideais de porosidade e robustez da estrutura. Além do evidente diferencial no aproveitamento de biomassas renováveis e abundantes na fabricação, a espuma apresentou capacidade de absorver volumes de poluentes até 50 vezes superiores à sua massa, mesmo os mais viscosos. Testes também demonstraram que a espuma mantém elevados níveis de eficiência de absorção, mesmo após 20 ciclos de reutilização, além da rápida taxa de absorção, de 1s a 10s.

 

O PROCESSO EM MICROTOMOGRAFIAS 3D

O processo de obtenção da espuma é relativamente simples e rápido. Os compostos sólidos (nanocelulose e látex de borracha natural) representam apenas 2% da composição da mistura dispersa em água. De acordo com Rubia, esse percentual de 98% de água é fundamental para a obtenção da estrutura porosa da espuma, que se consolida após etapas de congelamento e liofilização do composto.

Imagens de microtomografia 3D e microscopia eletrônica de varredura obtidas nos laboratórios do CNPEM revelam os detalhes que fazem a diferença e demonstram as razões da eficiência na afinidade entre os materiais.

“As fibrilas de nanocelulose se agrupam em uma estrutura 3D e, depois de recobertas e aderidas pelo látex, acabam se reorganizando em uma estrutura porosa mais robusta, que se interconectam e contribuem tanto para a robustez e estabilidade do material quanto para uma maior absorção dos poluentes”, destaca a pesquisadora.

CATALISADORES

A CORRIDA DO OURO

PESQUISA INVESTIGA A FORMAÇÃO DO SÍTIO ATIVO EM CATALIZADORES DE OURO.

Catalisadores são substâncias que promovem e aceleram reações químicas sem serem consumidos durante o processo. Elas são amplamente empregadas não só em processos produtivos na indústria, como também no controle da emissão de poluentes como, por exemplo, no escapamento dos veículos automotores. Ali, catalisadores são utilizados para reduzir a emissão de gases tóxicos como o monóxido de carbono.

Em catalisadores compostos por nanopartículas de metais de transição, a reação catalítica ocorre apenas em lugares específicos em sua superfície, chamados sítios ativos, que são geralmente localizados em defeitos superficiais, como em regiões de deformação na distribuição dos átomos que formam a nanopartícula.

A compreensão da dinâmica da formação e evolução dos sítios ativos durante a reação é crucial para o desenvolvimento de catalisadores economicamente viáveis, eficientes e estáveis. Por isso, em trabalho publicado no periódico Nature Communications, pesquisadores do CNPEM e colaboradores, investigaram a evolução da deformação da rede atômica de catalisadores de ouro durante a reação de oxidação do monóxido de carbono, reação similar à que acontece nos escapamentos.

doi.org/10.1038/s41467-020-18622-2
Agências financiadoras: FAPESP

Florian Meneau e demais pesquisadores do grupo observaram a dinâmica da deformação em escala nanométrica, e como a deformação leva à formação dos sítios ativos, permitindo a busca por novas formas de controlar as propriedades catalíticas dos nanomateriais.
BACTÉRIAS

Praga da citricultura se revela aliada na produção de biorrenováveis

VILÃ OU HEROÍNA?

A bactéria Xanthomonas citri, responsável pelo cancro cítrico, sempre foi conhecida como inimiga da lavoura pelos prejuízos que causa à citricultura. Mas o trabalho liderado pelo CNPEM e publicado na revista Nature Communications, em colaboração com a USP e a Unicamp, revela detalhes valiosos sobre mecanismos de despolimerização de carboidratos vegetais, complexos para o desenvolvimento de novas tecnologias que possam ser aplicadas no aproveitamento de resíduos agroindustriais, contribuindo com uma economia mais sustentável. O estudo evidenciou que os mesmos processos biológicos usados pela bactéria para enfraquecer um dos mais importantes sistemas de defesa das plantas, a parede celular vegetal, podem servir como base para o desenvolvimento de tecnologias enzimáticas que viabilizem o uso de biomassas vegetais como matéria-prima para a produção de biocombustíveis, bioquímicos e biomateriais, servindo de alternativa para a produção de diversos produtos que ainda hoje são obtidos quase que exclusivamente a partir de derivados de petróleo.

O CAMINHO DA DESCOBERTA

Ao longo de cinco anos, foi usada uma vasta gama de recursos científicos disponíveis no ecossistema de pesquisa do CNPEM, como linhas de luz síncrotron, abordagens genômicas, transcriptômicas e de engenharia genética e experimentação in vivo em plantas para conclusão do trabalho. A pesquisa desvendou uma família até então desconhecida de enzimas que a bactéria X. citri mobiliza para desconstruir a parede celular das plantas. Essa nova família de enzimas foi nomeada de CE20, um acrônimo para Carbohydrate Esterase family 20. Além disso, essa pesquisa também revelou a importância da despolimerização de um dos carboidratos mais complexos da parede celular vegetal, o xiloglicano, para a liberação de açúcares específicos que induzem a produção de proteínas que potencializam a infecção.

A eficiência do trabalho das enzimas se deve à excepcional capacidade delas em atuar nas ligações químicas e degradar carboidratos complexos.

“Essas descobertas nos fornecem novas alternativas para aumentar a capacidade de utilização de biomassa vegetal em biorrefinarias, que são muito valiosas do ponto de vista biotecnológico. E ao revelarmos novos componentes da virulência da bactéria, podemos colaborar com o desenvolvimento de novas estratégias de combate à doença, com desenho de potenciais inibidores para esse grupo de bactérias tão relevantes para a agricultura brasileira”, explica Mario Murakami, coordenador da pesquisa e diretor científico do Laboratório Nacional de Biorrenováveis (LNBR).

PRÓXIMOS PASSOS COM O SIRIUS

No Sirius a pesquisa vai para um novo patamar. Vamos sair das imagens estáticas, como fotos, para começar a ver e analisar eventos dinâmicos, como em vídeos dos processos catalíticos das enzimas descobertas nesse estudo”, exemplifica Murakami.

A combinação dos resultados obtidos na linha MANACÁ do Sirius com cálculos quânticos irão fornecer detalhes atômicos de todas as etapas de uma reação catalítica.

O CNPEM desenvolve diversos estudos reconhecidos internacionalmente pelo impacto no desenvolvimento de processos que podem acelerar a produção industrial de bioprodutos para diversos segmentos econômicos. Bioquímicos e materiais mais sofisticados, com alto desempenho e eficiência, maior valor agregado e menor impacto ambiental estão no foco da busca por alternativas mais sustentáveis aos insumos de origem fóssil usados na indústria atualmente.

INFRAVERMELHO

Prendendo a luz em nanofios

PESQUISA INVESTIGA CONFINAMENTO DE ONDAS LONGAS DE INFRAVERMELHO EM FITAS NANOMÉTRICAS DE ÓXIDO DE ESTANHO.

O infravermelho longo é uma radiação de baixa energia e não-destrutiva, apropriada para aplicações em materiais biológicos. Essa radiação também possui elevada penetração nos materiais permitindo seu uso na inspeção não-invasiva de mercadorias e pessoas.

A nanofotônica de infravermelho tem se dedicado a estudar novos materiais, como o grafeno, a fim de explorar suas propriedades e uso nessa faixa de energia. Neste contexto, óxidos semicondutores nanoestruturados têm ganhado relevância dada à variedade de formas em que eles podem ser sintetizados: nanopartículas (0D), nanofios (1D), nanofolhas (2D), nanocubos (3D), entre outras.

Nesse sentido, pesquisadores do CNPEM e colaboradores do Brasil e do exterior estudaram o confinamento de ondas longas de infravermelho em nanofitas de óxido de estanho (SnO2) em trabalho publicado no periódico Nature Communications. De acordo com Ingrid Barcelos, as nanofitas de SnO2 são uma excelente plataforma nanofotônica para o confinamento de ondas longas de infravermelho e são naturalmente otimizadas para aplicações em componentes e circuitos para novas redes de informação baseados em tráfego de luz.

A nanofotônica de infravermelho tem se dedicado a estudar novos materiais, como o grafeno, a fim de explorar suas propriedades e uso nessa faixa de energia.
doi.org/10.1038/s41467-021-22209-w
Agências financiadoras: INCT/Nanocarbono, CNPq, FAPESP, FAPEMIG, BMBF

PUBLICAÇÕES DE USUÁRIOS

Apesar de serem anos com pouca circulação presencial no CNPEM para uso das instalações abertas, em 2020 e 2021, pesquisadores deram andamento à suas pesquisas e colaborações. Artigos que tiveram dados coletados nas instalações abertas dos quatro Laboratórios Nacionais foram publicados em períódicos nos dois hemisférios, e contribuíram para a produção científica mundial em diversas áreas do conhecimento. Alguns destaques dos últimos dois anos podem ser conhecidos a seguir.

MICROSCOPIA

Visualização do desgaste em processo de soldagem

Pesquisadores da USP, Unicamp, UNESP, SENAI, CNPEM, Instituto Nacional de Tecnología, PETROBRAS e The Ohio State University, utilizaram a microscopia eletrônica do LNNano na pesquisa que originou o artigo The study of volumetric wearing of PCBN/W-Re composite tool during friction stir processing of pipeline steels (X70) plates, publicado em 2021 pelo International Journal of Advanced Manufacturing Technology e financiado pela Petrobras.


O estudo analisou a técnica de soldagem por atrito em aço em condições controladas. O desgaste produzido nesse processo foi observado através da perfilometria e da microscopia óptica, para quantificar a perda de volume na ferramenta de soldagem devido ao número de entradas na junta e à distância soldada. Torque e força transversal na ferramenta de soldagem e a largura do cordão de solda foram medidos e relacionados ao processo de desgaste.

doi.org/10.1007/s00170-021-06932-8
Agências financiadoras: Petrobras
MEIO AMBIENTE

Duradouras consequências do desastre de Mariana

O rompimento da barragem de Fundão, no município de Mariana, em Minas Gerais, ocorrido em 5 de novembro de 2015, é considerado o maior desastre ambiental da indústria de mineração brasileira. O vazamento dos mais de 40 milhões de metros cúbicos de rejeitos de minério de ferro causou a morte de 19 pessoas e a destruição total ou parcial de vilarejos, além do incalculável dano ambiental. Após sua propagação pela bacia do Rio Doce, parte dos rejeitos alcançou a foz do Rio Doce, no município de Linhares, no Espírito Santo, e a região marinha adjacente no Oceano Atlântico.

A composição dos rejeitos de mineração depende das rochas processadas e das substâncias químicas utilizadas na extração do minério de ferro, da eficiência do processo e da degradação dos rejeitos durante armazenamento na barragem. Ela funciona como uma impressão digital, permitindo distinguir os materiais originados na barragem de outros já presentes no sedimento marinho, sejam naturais ou de outra origem antropogênica.

Em publicação no periódico Chemosphere, pesquisadores da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) e colaboradores investigaram, com o uso da fonte de luz síncrotron UVX do CNPEM, os metais presentes nos rejeitos da barragem de Fundão e no sedimento marinho adjacente à foz do Rio Doce tanto antes como depois do acidente. O grupo verificou que os metais introduzidos no solo oceânico pelos rejeitos ainda não haviam retornado aos valores anteriores ao desastre, e que ainda não é possível prever por quanto tempo os rejeitos vão persistir no ambiente marinho.

doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127184
Agências financiadoras: CAPES, FAPES
METABOLISMO

Exercício sem dieta funciona?

O treinamento físico e a alimentação saudável são as principais estratégias não farmacológicas para o tratamento de condições crônicas, como obesidade e resistência à insulina (RI), em adolescentes. No entanto, as alterações metabólicas isoladas causadas pelo treinamento físico sem intervenção dietética ainda não foram estabelecidas. Pesquisadores da Unicamp, em colaboração com a Universidade Estadual de Maringá e Universidade Federal do Paraná, financiados pela CAPES e CNPq publicaram em outubro de 2020, na Scientific Reports o artigo Altered metabolomic profiling of overweight and obese adolescents after combined training is associated with reduced insulin resistance, em que analisaram as características metabólicas de 37 adolescentes com sobrepeso e obesidade após 12 semanas de treinamento, sem a realização de dietas específicas. Os pesquisadores utilizaram a instalação de Ressonância Magnética Nuclear do LNBio para obtenção de dados, e observaram efeitos positivos dos treinamentos no perfil metabolômico (componentes dos fluidos biológicos), composição corporal, marcadores bioquímicos e metabolismo da glicose dos adolescentes.

doi.org/10.1038/s41598-020-73943-y
Agências financiadoras: CNPq e CAPES
FUNGOS

Mecanismos de produção e autoproteção de uma toxina num fungo causador de doenças em seres humanos

O artigo The Aspergillus fumigatus transcription factor RglT is important for gliotoxin biosynthesis and self-protection, and virulence, publicado em julho de 2020 pela PLOS Pathogens originou-se de uma cooperação de pesquisadores do Brasil, China, Estados Unidos, Inglaterra e Irlanda, respectivamente das instituições USP, Instituto Butantan, Unifesp, University of Macau, Vanderbilt University, University of Manchester e Maynooth University.

O trabalho elucida importantes mecanismos do fungo Aspergillus fumigatus, um patógeno oportunista, causador de diversas doenças em mamíferos, que secreta uma micotoxina (tóxica do fungo) imunomoduladora e imunossupressora chamada gliotoxina, importante para sua função de virulência.

Os pesquisadores utilizaram a instalação de Sequenciamento de DNA do LNBR, e descobriram que um fator de transcrição, denominado RglT é essencial para a biossíntese e autoproteção da gliotoxina, processo que ocorre principalmente através da regulação direta de um gene. Sem esse gene, o fungo torna-se altamente sensível ao estresse oxidativo. Os pesquisadores observaram esse mecanismo também em fungos não patógenos, concluindo que a autoproteção de micotoxinas em espécies fúngicas patogênicas e não patogênicas é importante para a virulência e sobrevivência dos fungos estudados.

doi.org/10.1371/journal.ppat.1008645
Agências financiadoras: FAPESP, CNPq, CAPES, National Science Foundation, Vanderbilt University,
James H. Gilliam Fellowships for Advanced Study program, Wellcome Trust, University of Macau, Institute of Translational Medicine and Faculty of Health Sciences internal funds