Enzimas: Tecnologia cria catalisadores específicos

Tecnologia avança e consegue criar catalisadores específicos

Enzimas tem chamado a atenção de várias indústrias como uma alternativa mais seletiva e sustentável aos processos baseados na química tradicional. Dentre os catalisadores existentes, as enzimas dispensam a exploração de recursos naturais, a exemplo de minerais raros e caros, tornando a produção desses biocatalisadores mais atraente, tanto no aspecto econômico, quanto em sustentabilidade.

De acordo com a Eamim Squizani, consultora pesquisadora III do Senai/Cetiq, a demanda de empresas por rotas enzimáticas tem aumentado devido à versatilidade dos biocatalisadores que podem ser empregados tanto em kits diagnósticos, como em processos industriais diversos. Segundo a consultora pesquisadora, algumas empresas têm optado por substituir rotas tradicionais por enzimáticas, mesmo com rendimentos inferiores, a fim de reduzir os custos com o tratamento dos rejeitos formados.

Por mais que a troca dos processos tradicionais pelos enzimáticos dependa de estudos de viabilidade técnica e econômica, fatores como os prazos para o cumprimento de metas sustentáveis pelas empresas e a reavaliação para trazer alguns processos de volta ao país, devido a problemas verificados com a cadeia de suprimentos a partir da China, reforçam a necessidade pela utilização de processos produtivos mais verdes.

Independente da versatilidade e maior sustentabilidade com o uso de enzimas, dúvidas sobre a seletividade limitada a alguns substratos e a baixa estabilidade destes biocatalizadores nos meios reacionais são levantadas como empecilhos para o desenvolvimento de rotas biocatalisadas. Além disso, mesmo que estes problemas sejam superados, resta às empresas desenvolver o uso de enzimas em suas formulações e processos de forma viável.

Inovações em design e produção – Uma das dificuldades para a implementação de rotas biocatalisadas em processos industriais reside na incompatibilidade das enzimas com alguns substratos e condições reacionais. Nos últimos anos, com o surgimento da técnica de evolução dirigida, tornou-se possível explorar mutantes das enzimas naturais que superam estes percalços. No entanto, o tempo de trabalho experimental necessário para obter uma enzima com as propriedades desejadas e o custo para descobri-la são elevados.

Uma das formas de minimizar esses problemas está no uso da inteligência artificial (IA), tanto para a busca de enzimas adequadas (inclusive para evitar problemas com patentes), quanto para selecionar as modificações necessárias para melhorar a estabilidade da enzima no meio reacional e para aumentar sua atividade para um substrato desejável.

Essa é a proposta da Aminoverse, empresa fundada em 2020, nos Países Baixos, cuja missão é resolver o “desafio enzimático” de seus clientes – entre eles nomes conhecidos como AstraZeneca, Basf, Bayer e Givaudan – utilizando técnicas de IA.

Segundo David Schönauer, CEO da Aminoverse, para encontrar as enzimas adequadas, é feita uma busca em banco de dados contendo 2 bilhões de sequências enzimáticas, das quais apenas algumas (por volta de 20 a 50 sequências) são selecionadas. Por sua vez, para a evolução dirigida das enzimas, o uso da IA permite guiar as modificações que devem ser feitas na sequência de aminoácidos da enzima, garantindo não apenas a identificação das melhores regiões, mas também informações sobre o alvo da nova enzima e seu comportamento nas condições reacionais.

Além das inovações utilizando IA, a Aminoverse também produz as enzimas melhoradas e solicitadas até a escala de um grama, para seus clientes testarem nos seus processos.

A produção de enzimas exige inserir uma sequência de DNA exógeno, correspondente à sequência da enzima, em um micro-organismo. Assim, a síntese de DNA artificial é essencial para a obtenção de enzimas e é a inovação tecnológica do ISI Biossintéticos e Fibras, do Senai no Rio de Janeiro, dotada de uma facility de Oligonucleotídeos que utiliza a síntese de DNA de novo – síntese de nucleotídeos a partir de reações entre a ribose-5-fosfato com aminoácidos e CO2.

Segundo Eamin Squizani, essa tecnologia permite a síntese do DNA sintético sem coletar o organismo de origem, desde que a sequência da proteína de interesse seja conhecida. Por consequência, a tecnologia permite que laboratórios consigam sintetizar o material genético de interesse sem modificar seu nível de segurança biológico, tanto que uma das suas aplicações foi o desenvolvimento da vacina de RNA mensageiro da Moderna contra a Covid-19.

Enzimas: Tecnologia avança e consegue criar catalisadores específicos ©QD Foto: Divulgação/Aminoverse
Deia: hidrolases são as mais demandadas no mercado

Mercado em evolução – A análise das empresas de enzimas apresentada por Deia Vilela, diretora regional de vendas Latam da IFF, as divide em duas categorias: as produtoras e as compradoras de biocatalisadores.

A primeira categoria corresponde às empresas que desenvolvem os processos para a produção de enzimas. Para estas, que são a minoria, é necessário investir tanto nos tanques de fermentação, quanto na mão-de-obra especializada (capacitada em desenvolver os micro-organismos e utilizá-los em processos fermentativos). A segunda categoria é constituída por empresas focadas na aplicação dos produtos enzimáticos; elas compram as enzimas dos produtores e as aplicam nas suas formulações e processos.

A IFF, segundo a diretora, é uma das empresas produtoras de enzimas. No entanto, suas enzimas não são mais produzidas na América Latina, pois sua obtenção está concentrada em centros de referência em fermentação. Atualmente, as enzimas são importadas para a América Latina na forma de concentrados enzimáticos e tem sua atividade ajustada conforme as necessidades dos clientes.

Segundo Deia, as enzimas mais comuns no mercado pertencem à classe das hidrolases, ou seja, as proteases, amilases e xilanases. O destaque para essas enzimas se deve ao uso de cereais como matéria-prima em diferentes processos industriais e à mesma função das enzimas nestes, por exemplo, para hidrolisar os componentes iniciais da matéria-prima a fim de melhorar a absorção de nutrientes (na indústria de alimentação animal e humana), ou para permitir a fermentação de açúcares de fontes naturais (importante na indústria alcooleira).

No Brasil, a maioria das empresas que utilizam enzimas optam por importá-las e prepará-las de acordo com as especificações do produto final. A pesquisadora Eamin Squizani considera o mercado brasileiro de enzimas como ainda incipiente, tendo a Novozymes, especificamente na planta de Araucária-PR, como o maior produtor local de enzimas.

Enzimas: Tecnologia avança e consegue criar catalisadores específicos ©QD Foto: Divulgação/Aminoverse
Camila: portfólio vai crescer com aplicações em alimentação

Na sua planta paranense, a Novozymes produz enzimas por meio de processos fermentativos utilizando microrganismos desenvolvidos na matriz (na Dinamarca). Camila Lisboa Haiducki, diretora de operações da Novozymes para a América Latina, informa que o diferencial dos micro-organismos utilizados pela Novozymes está na sobrevivência destes apenas nas condições de fermentação, isto é, na síntese de enzimas.

A produção é conduzida em tanques de fermentação que promovem o crescimento das culturas de micro-organismos e a produção das enzimas – que ficam no meio de cultura e não no interior dos micro-organismos –, etapas realizadas em vasos distintos. Após a etapa de fermentação e a expressão das enzimas, estas são obtidas mediante o tratamento e a filtração da fase líquida.

Por sua vez, a fase sólida resultante da fermentação contém os micro-organismos, os quais só podem ser utilizados uma única vez e assim garantir a integridade e qualidade dos lotes. Uma solução adotada para aproveitar esse biomaterial consiste em inativá-lo com a aplicação de cal e distribuir o produto resultante para os agricultores da região como melhorador de solos, uma vez que o material é capaz de neutralizar a acidez e fornecer nutrientes para os cultivos, como explicou Camila Haiducki.

Novozymes – O amplo portfólio para as biosoluções é a principal vantagem da Novozymes no mercado, como apontou a diretora de operações para a América Latina. As principais enzimas produzidas na planta são empregadas em detergentes, insumos para nutrição animal e biocombustíveis. Novos mercados em que a empresa pretende aplicar as suas biosoluções estão nas áreas de alimentação humana, especialmente para alimentos plant-based, e probióticos, informou Camila Haiducki.

IFF – Além da venda de enzimas para os clientes, a IFF está produzindo ingredientes através de rotas enzimáticas. Estes ingredientes são sintetizados pela tecnologia DEB (designed enzymatic biomaterials), que permite criar polissacarídeos a partir da polimerização enzimática de açúcares simples, que são altamente personalizados para uma variedade de aplicações em cuidados domésticos, pessoais e muito mais. Segundo Deia Vilela, a aplicação da tecnologia DEB é viável e aplicável nas indústrias de cosméticos com o produto Aurist® AGC, que será lançado no Brasil ao final deste mês durante a feira in-cosmetics, sendo capaz de melhorar as condições de condicionamento capilar.

Enzimas: Tecnologia avança e consegue criar catalisadores específicos ©QD Foto: Divulgação/Aminoverse
Operador observa tanques de produção em Araucária-PR

Outra das soluções enzimáticas da IFF é a Nurica®, capaz de hidrolisar a lactose e transformar a galactose formada em galacto-oligossacarídeo – uma fibra dietária prebiótica. Segundo a diretora, esta enzima é inserida em produtos lácteos, permitindo a formação da fibra in-situ.

Aminoverse – Uma das novidades da empresa holandesa – lançada em setembro de 2021 – é o primeiro kit de peroxigenases não-específicas (UPO) do mundo, o UPO Enzyme Panel 77, que tem chamado a atenção das maiores indústrias farmacêuticas, alimentícias e agrotecnológicas do mundo.

Segundo Schönauer, o kit conta com 77 enzimas UPO, com as quais o pesquisador pode verificar a atividade e a especificidade das enzimas do kit em qualquer substrato de interesse. Além disso, o cliente pode solicitar os serviços da Aminoverse tanto para a produção de alguns quilogramas da UPO de interesse, quanto solicitar os serviços de IA.

Enzimas: Tecnologia avança e consegue criar catalisadores específicos ©QD Foto: Divulgação/Aminoverse
Schönauer: IA guia alterações nas sequências enzimáticas

“UPOs são as P450 que a comunidade sempre quis ter”, disse Schönauer, realçando benefícios dessa nova subclasse enzimática contra as enzimas do citocromo P450 que são intensivamente utilizadas na indústria farmacêutica.

Além de dispensar o uso de cofatores, uma das principais vantagens das UPOs sobre as enzimas do citocromo P450 está em sua maior estabilidade, o que permite a produção em grande escala, além de favorecer o desenvolvimento de processos biocatalíticos para a adição de oxigênio em moléculas, reações que, além de serem muito “sujas”, apresentam baixas taxas de conversão e seletividade quando realizadas pelos métodos sintéticos convencionais.

A empresa prevê o lançamento, em 2024, dos novos kits para lipases e de cetoglutarato oxigenasse (KGO).

Enzimas: Tecnologia avança e consegue criar catalisadores específicos ©QD Foto: Divulgação/Aminoverse
Kit com 77 enzimas UPO, fornecido pela Aminoverse

Basf – Uma das empresas que produzem as próprias enzimas é a Basf. Nesse caso, essa produção é feita majoritariamente na Europa e tem aplicações nas áreas de nutrição animal e de limpeza doméstica.

Na área de nutrição, a companhia desenvolveu as novas linhas de enzimas Natuphos® (fitase) e Natugrain® (xilanase e glucanase), capazes de auxiliar na digestão de nutrientes, até mesmo ajudando na quebra de compostos que podem ser nocivos aos animais quando não digeridos, caso dos PNAs (polissacrídeos não amiláceos), como explicou Rodrigo Knop, coordenador de serviços técnicos de Nutrição Animal da Basf para a linha Natugrain®.

A companhia tem desenvolvido enzimas para a área de limpeza doméstica desde 2016, aparecendo nos produtos da linha Lavergy®, especialmente o Lavergy® Pro 114 LS (protease) e a Lavergy® C Bright 100 L (celulase).

Enzimas: Tecnologia avança e consegue criar catalisadores específicos ©QD Foto: Divulgação/Aminoverse
Karadi: limpeza doméstica tende a usar mais enzimas

Segundo André Karadi, analista de marketing sênior da linha de Cuidados Domésticos e Formulações Industriais, a protease é utilizada para remover manchas proteicas (por exemplo, de leite, carnes e ovos), enquanto a celulase serve para remover os fiapos nas roupas, resultando na melhora da coloração da roupa e do seu brilho, conservando-as por mais tempo. Além disso, Karadi destacou que esses produtos são utilizados por grandes empresas fabricantes de sabão.

Uma outra linha de produtos, destinada para clientes que buscam agilidade na produção, é a Soluprat®. Eles contêm uma mistura de ingredientes em proporções ideais, bastando que o cliente dilua o produto e customize alguns parâmetros (viscosidade, cor e fragrância) de acordo com as suas especificações. O lançamento desta linha é o Soluprat® Roupas Enzimáticos, que contém a protease Lavergy Pro 114 LS.

Com esses produtos disponíveis e prevendo a inclusão de novas enzimas no portfólio da empresa, permitindo futuramente a produção de blendas enzimáticas, Karadi apontou que o mercado de produtos de limpeza doméstica contendo enzimas tende a crescer.

Superando a natureza – Ainda que a natureza continue sendo a principal fonte de enzimas, os avanços científicos e tecnológicos conferem cada vez mais a possibilidade de superar as restrições impostas pelo ambiente natural. Tecnologias como a IA e as técnicas de biologia molecular, por exemplo, a evolução dirigida de enzimas e a síntese de DNA de novo, permitem avanços importantes.

No caso das enzimas naturais, a sua aplicação em diferentes segmentos mostra a sua versatilidade para apoiar o desenvolvimento de produtos mais sustentáveis e, segundo as próprias empresas, viáveis economicamente.

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