Simulações em multi-escala de enzimas e complexos enzimáticos para degradação de biomassa lignocelulósica

Resumo

O uso de biocatalisadores é considerado a melhor estratégia para sacarificação da biomassa para produção de bioetanol de uma forma ecologicamente positiva. Por isso, grandes esforços têm sido direcionados à otimização destes processos biotecnológicos. Métodos computacionais representam ferramentas valiosas para o avanço nesta área. Neste projeto, propõe-se o estudo através de simulações multi-escala de dois tópicos de grande relevância na área, descritos brevemente a seguir: i) Biodegradação de lignina. A complexa matrix de lignina que cerca as microfibrilas de celulose e as cadeias de hemicelulose representa uma barreira crítica ao processo de digestão do material lignocelulósico. A degradação enzimática surge como uma alternativa promissora a pré-tratamentos termo-químicos, permitindo a geração seletiva de compostos de valor agregado a partir da lignina. Nesta parte do projeto, propõe-se conduzir simulações de dinâmica molecular e de mecânica quântica/mecânica molecular (QM/MM) para estudar as bases estruturais da afinidade pelo substrato e os mecanismos de reação na degradação enzimática de lignina por bactérias. ii) Celulossomos como uma alternativa aos coquetéis enzimáticos. Algumas evidências mostram que a proximidade dos módulos catalíticos das múltiplas enzimas que formam os celulossomos favorece a sinergia entre suas atividades, resultando em um desempenho superior destes complexos em comparação com misturas de enzimas independentes. Apesar do volume considerável de estudos experimentais, a caracterização dos mecanismos de ação de celulossomos continua elusiva. Nesta parte do projeto, propõe-se o emprego de abordagens computacionais multi-escala no estudo dos movimentos relativos dos módulos que compõem o celulossomo de Clostridium Thermocellum que possivelmente influenciam seu desempenho catalítico. Este projeto foi elaborado para ser realizado durante um estágio de 12 meses no National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, CO, E.U.A), sob a supervisão do Prof. Dr. Gregg Beckham, um dos líderes dos trabalhos computacionais do centro. O Prof. Beckham e sua equipe compõem um dos centros mais proeminentes da pesquisa computacional em bioenergia. Nós acreditamos que este estágio adicionará grande valor ao projeto em andamento no Brasil.