Um trabalho publicado na revista Nature Protocols por pesquisadores do Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo (IQSC-USP) em colaboração com o Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) apresenta um guia detalhado para o estudo de biocatalisadores em condições operacionais, combinando espectroscopia de absorção de raios X com técnicas eletroquímicas. O artigo reúne anos de desenvolvimento experimental e descreve como estudar proteínas que participam de reações relevantes em diversas aplicações, incluindo a produção de energia.

Biocatalisadores e energia verde

A motivação central deste trabalho é o uso de biocatalisadores para viabilizar processos químicos mais limpos e eficientes. Diferentemente de catalisadores sintéticos convencionais, os biocatalisadores são tridimensionais, operam sob condições brandas e apresentam alta seletividade. Isso reduz não apenas o impacto ambiental, mas também os custos operacionais e os riscos associados aos processos químicos.

Além disso, diversas das reações de interesse já ocorrem em sistemas biológicos, o que permite, em vez de recriar processos complexos artificialmente, aproveitar e adaptar mecanismos que foram refinados pela natureza ao longo da evolução. 

Outro ponto crítico é o uso de metais. Catalisadores industriais frequentemente dependem de elementos como platina ou irídio, que são altamente eficientes, mas extremamente caros e escassos. Já os biocatalisadores podem oferecer uma alternativa mais acessível, especialmente quando derivados de materiais abundantes, incluindo vegetais e fungos. 

Para Itamar Neckel, pesquisador do CNPEM na linha de luz Carnaúba e coautor do artigo, esse é um dos principais entraves à aplicação dessas tecnologias: “é possível usar platina e irídio para a quebra da molécula de água e, portanto, para produzir hidrogênio, mas esses elementos são caros”. 

No contexto da produção de hidrogênio, essas características são particularmente relevantes. Reações como a oxidação da água, fundamentais para a geração desse combustível, podem ser mediadas por enzimas com sítios metálicos específicos, geralmente de metais mais abundantes e baratos, como cobre, por exemplo. Estudar esses sistemas é um passo essencial para desenvolver tecnologias de energia mais sustentáveis. 

XA-SEC: combinando raios X e eletroquímica

Para investigar esses processos em detalhe, o estudo utiliza uma abordagem conhecida como espectroeletroquímica, que é realização simultânea de experimentos de eletroquímica com absorção de raios X, ou XA-SEC. Na prática, isso significa combinar duas técnicas: aplicar um estímulo elétrico ao material e, ao mesmo tempo, medir como o metal dentro da enzima absorve raios X. 

Quando um potencial elétrico é aplicado, o estado de oxidação do metal presente no catalisador pode mudar. Essas mudanças afetam diretamente a energia em que o material absorve raios X. Ao monitorar esse comportamento, os pesquisadores conseguem acompanhar, em tempo real, como o catalisador responde às condições da reação, bem como entender o passo-a-passo da reação. 

Cada elemento possui uma “borda de absorção” característica, uma faixa de energia onde ocorre uma variação significativa na absorção de fótons. Alterações no estado de oxidação deslocam essa borda, permitindo identificar transformações eletrônicas no material. 

O diferencial da técnica está justamente na simultaneidade: enquanto diferentes potenciais são aplicados, os espectros de absorção também são medidos. Isso permite correlacionar diretamente o comportamento eletroquímico com mudanças na estrutura eletrônica no catalisador, uma importante janela para observar reações em andamento. 

Os desafios experimentais

Apesar da riqueza de informações, realizar esse tipo de experimento está longe de ser trivial. Um dos primeiros desafios é a montagem da célula eletroquímica, que exige eletrodos extremamente limpos e cuidadosamente preparados. 

Célula eletroquímica utilizada nos experimentos de XAS-SEC. No interior do dispositivo, biocatalisadores imobilizados sobre um eletrodo são submetidos a diferentes potenciais elétricos enquanto têm suas propriedades eletrônicas investigadas por espectroscopia de absorção de raios X.

A enzima de interesse precisa ser imobilizada sobre o eletrodo de trabalho, geralmente a partir de uma solução que é depositada sobre a superfície. Em seguida, um polímero é adicionado para estabilizar o material e permitir a passagem de cátions, evitando que a enzima se dissolva no meio aquoso ou sofra degradação. 

Outro ponto crítico é a concentração do material. Quantidades muito pequenas dificultam a detecção do sinal de raios X emitido pela amostra. Já uma concentração muito elevada implica em uma camada excessivamente grossa de enzimas, causando má conexão eletrônica por alta resistência elétrica. Encontrar esse equilíbrio exige múltiplos testes e preparação de várias amostras até que uma boa região para realizar as medidas seja encontrada.  

Além disso, há o problema do dano por radiação. A intensidade do feixe de raios X em linhas de luz de alta resolução, como a Carnaúba, pode alterar o próprio material que se deseja estudar, levando à degradação do material. Por isso, é necessário realizar testes prévios para garantir que as mudanças observadas sejam de fato resultado do experimento e não da ação do feixe. Somam-se a isso desafios como o alinhamento preciso da amostra na estação experimental e o controle do fluxo de fótons, que precisa ser otimizado para equilibrar qualidade de sinal e preservação do material. 

A importância dos protocolos experimentais

Diante de tantas variáveis e desafios encontrados por pesquisadores no mundo todo, o trabalho desenvolvido pelos pesquisadores oferece uma clara sistematização dessas complexas etapas em um protocolo claro e reprodutível. O artigo reúne não apenas procedimentos que funcionaram, mas também os problemas encontrados ao longo do desenvolvimento experimental e extensas discussões das resoluções destes problemas. 

Isso transforma o protocolo em uma ferramenta valiosa para a comunidade científica. Pesquisadores que desejam trabalhar com biocatálise em condições semelhantes passam a ter um guia que antecipa dificuldades, sugere soluções e reduz o tempo necessário para obter resultados confiáveis. Como destaca Itamar Neckel, “vai ser uma referência muito rica, porque ali tem tanto as medidas que foram feitas com sucesso, mas também os problemas que a gente enfrentou”. 

O protocolo também orienta sobre etapas críticas, como caracterizações prévias, testes de dano por radiação, preparo de amostras e aquisição de dados. Aspectos que, se negligenciados, podem comprometer todo o experimento. Ao consolidar esse conhecimento, o trabalho facilita novos estudos e contribui para o avanço de uma área estratégica: o desenvolvimento de tecnologias baseadas em processos naturais para enfrentar desafios energéticos globais.