Enzima artificial

Representação de uma enzima artificial.

Enzima artificial (mimetização enzimática) consiste em uma molécula orgânica ou íon sintético, os quais apresentam a capacidade de recriar a função de uma enzima natural. Essas estruturas artificiais são, em maioria, pequenos complexos moleculares que simulam as propriedades espectroscópicas ou a reatividade de uma enzima natural.

Enzimas Naturais

Funcionamento

Enzimas são proteínas que atuam como catalisadores em sistemas biológicos (biocatálise). A catálise consiste em acelerar a velocidade com que a reação química ocorre por meio do desenvolvimento de uma nova rota, com menor energia de ativação, para a reação em que o catalisador está acelerando. Em relação a biossistemas, a função de catalisador é desempenhado pela enzima, ou seja, os diferentes tipos de enzimas atuam nos seres vivos acelerando a velocidade em que ocorrem algumas reações vitais para a manutenção da vida orgânica.

Em reações catalisadas por enzimas, o reagente é conhecido como substrato, e o intermediário formado entre o substrato e a enzima é conhecido como complexo. Quanto a estrutura da enzima, a região da enzima onde ocorre a interação com o substrato é conhecido como sítio ativo

Comparação entre a energia de ativação (Ea) de uma reação com a presença de um catalisador/enzima (azul) e sem a presença de um catalisador/enzima (vermelho).

Tipos

As enzimas desempenham grande papel para a sustentação dos organismos vivos, sendo elas responsáveis por acelerar os processos bioquímicos responsáveis pela manutenção de um ser vivo. As enzimas são caracterizadas em 7 diferentes grupos de acordo com o tipo de substrato padrão que elas possuem. Sendo esses grupos:

• G1 Oxidorredutases – Catalisam reações de Oxirredução.

• G2 Transferases – Catalisam reações de transferência de grupos funcionais entre diferentes moléculas.
• G3 Hidrolases – Catalisam reações de hidrólise.
• G4 Liases – Catalisam reações de eliminação.
• G5 Isomerases – Catalisam reações de isomerização de uma molécula.
• G6 Ligases – Catalisam reações de formação de ligações covalentes entre duas moléculas.
• G7 Translocases – Catalisam a movimentação de íons ou moléculas através da membrana plasmática.

Nanoenzimas Artificias

As nanoenzimas são nanomateriais que possuem a capacidade de atuar como uma enzima artificial. Essas nanoenzimas possuem diversas aplicações, tais como terapia para tratamento de tumores, degradação de poluentes, detecção de ions e moléculas, entre outras funções.

História

O termo "nanoenzima" foi proposto em 2004 por Pasquato, Scrimin [1] para descrever a ação catalítica desempenhada por uma nanoestrutura em uma reação de transfosforilação,[2] a partir desse momento nanoenzima passou a ser a terminologia geral para descrever qualquer nanoestrutura que possui a capacidade de similar a ação de uma enzima. No entanto, desde o final do século XX já vinham sendo descobertas diversas nanoestruturas que atuavam como catalisadores em biossistemas.

Em 2016, pesquisadores da Universidade de Nanjing (Nanquim - China) publicaram um livro com uma compilação das estruturas que até então eram conhecidas por atuar como uma enzima artificial.[3] Após essa publicação diversas novas nanoestruturas vêm sendo desenvolvidas com o proposito de atuarem como biocatalisadores.

Tipos

Existem diversos tipos de nanoenzimas, e não existe uma nomenclatura consolidada que englobe todas as nanoenzimas conhecidas. Contudo, para efeito de organização, essas nanoestruturas podem ser catalogadas de acordo com o esqueleto base da nanopartícula.

Derivados de Carbono

O Carbono (C) é o elemento base para o desenvolvimento da vida como é conhecida. Devido a sua estrutura química, existem diversas estruturas moleculares possíveis de se obter a base do carbono, e dentre elas estão as nanoestruturas de carbono (grafeno, nanotubo, fulereno, etc.). As nanoestruturas de carbono, são estudadas com diversos objetivos diferentes, e dentre eles estão as possíveis aplicações dessas estruturas como nanoenzimas. Um exemplo de nanoenzima baseada em carbono, é uma nanoestrutura derivada do fulereno que atua como antioxidante[4].

Derivados de Ferro

O Ferro (Fe) é um metal de transição indispensável para a manutenção da vida humana e está na base do desenvolvimento de diversas tecnologias e materiais do nosso cotidiano. As nanopartículas de ferro são, em maioria, derivadas de óxidos de ferro e em maioria mimetizam as oxidorredutasses, especificamente a classe das peroxidasses[5].

Derivados de Ouro

Representação de uma nanopartícula de Ouro.

O Ouro (Au) é um metal pesado com baixa reatividade química, sendo muito utilizado na fabricação de joias e produção de eletrônicos. Nos últimos anos diversos estudos vêm sendo realizados visando melhorar a compreensão dos possível usos desse elementos em diferentes materiais. Dentre os estudos realizados estão o desenvolvimento de nanopartículas de ouro que apresentaram a capacidade de catalisar reações de oxidação, sendo assim esses materiais possuem grande similaridade com as enzimas oxidorredutases.[6]

Funcionamento[7]

As nanoenzimas possuem como característica fundamental a capacidade de mimetizar uma enzima natural. De forma geral, as nanoenzimas são muito menores do que as enzimas naturais, com isso elas apresentam como foco a mimetização da região a qual ocorre a interação da enzima com o seu substrato, ou seja, com o sítio ativo da enzima.

Tendo em vista o efeito de mimetização desempenhado pelas nanoenzimas, não há uma um modelo preciso que descreva o funcionamento de todas as nanopartículas que apresentam possibilidade de atuar como uma enzima artificial. No entanto, sabe-se que as nanoenzimas possuem características intrínsecas em sua estruturas que as aproximam das enzimas naturais, ou seja, elas possuem substratos, pH, temperatura de ação e cinética química semelhantes. Com isso, conhecendo a nanoestrutura e a enzima natural que ela está mimetizando é possível prever como será a ação da nanoenzima.

Usos e Perspectivas

Devido ao baixo custo de produção e a grande estabilidade, as nanoenzimas vêm demonstrado um grande espectro de sistemas com possíveis aplicações[1]. Dentre os usos das nanoenzimas, estão em destaque o auxílio no diagnóstico de doenças (diagnóstico de Ebola[8]), de terapia antitumoral[9], bioanálises[5] e monitoramento ambiental[10].

Diagnóstico de Tumores

Nos últimos anos, estudos demonstram o potencial uso de nanoenzimas em testes de detecção de genes, alterações em células e em tecidos que estão relacionados ao desenvolvimentos de certos tipos de câncer[11][12]. Com isso, o aprimoramento dessas técnicas auxiliará na criação de novos testes para acelerar na detecção de tumores malignos e consequentemente aumentar as chances de sucesso nos tratamentos.

Detecção de Poluentes ambientais

Desde o desenvolvimento inicial das nanoenzimas, elas vêm sendo usados como técnica de detecção de pequenas moléculas orgânicas, e íons metálicos. Com isso, nas últimas décadas diversas nanoenzimas com capacidade de identificar contaminantes ambientais estão sendo desenvolvidas. Dentre elas, destaca-se a nanoenzyme baseada no Fe₃O₄ que atua detectando Glicose[13] e fosfato orgânico[10].

Referências

1. Liang, Minmin; Yan, Xiyun (20 de agosto de 2019). «Nanozymes: From New Concepts, Mechanisms, and Standards to Applications». Accounts of Chemical Research (8): 2190–2200. ISSN 0001-4842. doi:10.1021/acs.accounts.9b00140. Consultado em 11 de fevereiro de 2022 
2. Manea, Flavio; Houillon, Florence Bodar; Pasquato, Lucia; Scrimin, Paolo (19 de novembro de 2004). «Nanozymes: Gold-Nanoparticle-Based Transphosphorylation Catalysts». Angewandte Chemie International Edition (em inglês) (45): 6165–6169. ISSN 1433-7851. doi:10.1002/anie.200460649. Consultado em 11 de fevereiro de 2022 
3. Nanozymes : next wave of artificial enzymes. Xiaoyu Wang, Wenjing Guo, Yihui Hu, Jiangjiexing Wu, Hui Wei. Berlin: [s.n.] 2016. OCLC 954214928 
4. Ali, Sameh S.; Hardt, Joshua I.; Quick, Kevin L.; Sook Kim-Han, Jeong; Erlanger, Bernard F.; Huang, Ting-ting; Epstein, Charles J.; Dugan, Laura L. (outubro de 2004). «A biologically effective fullerene (C60) derivative with superoxide dismutase mimetic properties». Free Radical Biology and Medicine (8): 1191–1202. ISSN 0891-5849. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2004.07.002. Consultado em 20 de fevereiro de 2022 
5. Gao, Lizeng; Zhuang, Jie; Nie, Leng; Zhang, Jinbin; Zhang, Yu; Gu, Ning; Wang, Taihong; Feng, Jing; Yang, Dongling (26 de agosto de 2007). «Intrinsic peroxidase-like activity of ferromagnetic nanoparticles». Nature Nanotechnology (9): 577–583. ISSN 1748-3387. doi:10.1038/nnano.2007.260. Consultado em 20 de fevereiro de 2022 
6. Luo, Weijie; Zhu, Changfeng; Su, Shao; Li, Di; He, Yao; Huang, Qing; Fan, Chunhai (28 de dezembro de 2010). «Self-Catalyzed, Self-Limiting Growth of Glucose Oxidase-Mimicking Gold Nanoparticles». ACS Nano (em inglês) (12): 7451–7458. ISSN 1936-0851. doi:10.1021/nn102592h. Consultado em 13 de fevereiro de 2022 
7. Yan, Xiyun, ed. (2020). «Nanozymology». Nanostructure Science and Technology (em inglês). ISSN 1571-5744. doi:10.1007/978-981-15-1490-6. Consultado em 20 de fevereiro de 2022 
8. Duan, Demin; Fan, Kelong; Zhang, Dexi; Tan, Shuguang; Liang, Mifang; Liu, Yang; Zhang, Jianlin; Zhang, Panhe; Liu, Wei (dezembro de 2015). «Nanozyme-strip for rapid local diagnosis of Ebola». Biosensors and Bioelectronics: 134–141. ISSN 0956-5663. doi:10.1016/j.bios.2015.05.025. Consultado em 20 de fevereiro de 2022 
9. Fan, Kelong; Xi, Juqun; Fan, Lei; Wang, Peixia; Zhu, Chunhua; Tang, Yan; Xu, Xiangdong; Liang, Minmin; Jiang, Bing (12 de abril de 2018). «In vivo guiding nitrogen-doped carbon nanozyme for tumor catalytic therapy». Nature Communications (1). ISSN 2041-1723. doi:10.1038/s41467-018-03903-8. Consultado em 20 de fevereiro de 2022 
10. Liang, Minmin; Fan, Kelong; Pan, Yong; Jiang, Hui; Wang, Fei; Yang, Dongling; Lu, Di; Feng, Jing; Zhao, Jianjun (10 de dezembro de 2012). «Fe3O4 Magnetic Nanoparticle Peroxidase Mimetic-Based Colorimetric Assay for the Rapid Detection of Organophosphorus Pesticide and Nerve Agent». Analytical Chemistry (1): 308–312. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac302781r. Consultado em 20 de fevereiro de 2022 
11. Linehan, W. Marston; Bratslavsky, Gennady; Pinto, Peter A.; Schmidt, Laura S.; Neckers, Len; Bottaro, Donald P.; Srinivasan, Ramaprasad (1 de fevereiro de 2010). «Molecular Diagnosis and Therapy of Kidney Cancer». Annual Review of Medicine (1): 329–343. ISSN 0066-4219. doi:10.1146/annurev.med.042808.171650. Consultado em 20 de fevereiro de 2022 
12. Maji, Swarup Kumar; Mandal, Amal Kumar; Nguyen, Kim Truc; Borah, Parijat; Zhao, Yanli (13 de maio de 2015). «Cancer Cell Detection and Therapeutics Using Peroxidase-Active Nanohybrid of Gold Nanoparticle-Loaded Mesoporous Silica-Coated Graphene». ACS Applied Materials & Interfaces (18): 9807–9816. ISSN 1944-8244. doi:10.1021/acsami.5b01758. Consultado em 20 de fevereiro de 2022 
13. Wei, Hui; Wang, Erkang (22 de fevereiro de 2008). «Fe3O4 Magnetic Nanoparticles as Peroxidase Mimetics and Their Applications in H2O2 and Glucose Detection». Analytical Chemistry (6): 2250–2254. ISSN 0003-2700. doi:10.1021/ac702203f. Consultado em 20 de fevereiro de 2022