Novas técnicas têm aplicações que vão de fármacos à computação quântica
Com participação de pesquisadores da UFSCar, resultados foram publicados em revistas do grupo Nature
Na Ciência, o destaque comumente está no que se "vê" ou mede -uma nova estrela a bilhões de anos-luz; um pedaço de matéria várias vezes menor que um grão de areia; altas - ou baixíssimas - temperaturas, dentre vários outros exemplos. Porém, em alguns momentos a fronteira do conhecimento está em como se "enxerga", ou seja, nos instrumentos e métodos, como novos telescópios e microscópios. "Em alguns momentos, a Ciência para um pouquinho porque é necessário um salto tecnológico. Enquanto não tínhamos o termômetro, por exemplo, não poderia haver a Termodinâmica; você não tem Mecânica Quântica enquanto não inventa o espectrofotômetro", exemplifica André Farias de Moura, docente no Departamento de Química (DQ) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).
"Nestes exemplos, estamos falando de grandes revoluções. Mas, mesmo com a espectroscopia e a Quântica consolidadas, atravessar novas fronteiras e, também, chegar às aplicações, depende de pequenos saltos tecnológicos ainda dentro da espectrofotometria", complementa o pesquisador, que figura entre os autores de dois artigos publicados recentemente em revistas do grupoNature que rompem barreiras relacionadas a este tipo de desafio. Os resultados obtidos pelo grupo que reúne cientistas do Brasil, Estados Unidos, China, Singapura, Japão, França e Israel, abrem caminhos para aplicações que vão de controle de qualidade de suplementos nutricionais e medicamentos; passando pelo diagnóstico de doenças; até computação quântica e desenvolvimento de mecanismos de visão de máquina.
No primeiro destes artigos, publicado emNature Nanotechnology , o grupo, que inclui outros pesquisadores vinculados à UFSCar e ao Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF), desenvolveu um sensor capaz de medir a polarização circular da luz, de modo semelhante ao mecanismo de visão de alguns animais. O dispositivo - uma membrana muito fina recoberta por nanopartículas de ouro que, por sua vez, são tratadas com o aminoácido quiral fenilalanina - é capaz de absorver luz circularmente polarizada, ou seja, polarizada no sentido horário ou no anti-horário, e transformar esta informação sobre a polarização em informação elétrica e, subsequentemente, em corrente.
"Uma câmera de vídeo, por exemplo, absorve a luz e a transforma em informação sobre intensidade, cor. O novo dispositivo acrescenta mais um tipo de informação, que é a polarização da luz, transformando-a em informação elétrica", explica Moura. "A luz polarizada passa a ser, então, uma informação a mais que eu posso carregar através de uma fibra óptica, por exemplo, e este é um avanço importante para os materiais optoeletrônicos do futuro", complementa. O pesquisador também indica que a compreensão de como alguns animais conseguem detectar a polarização da luz pode ajudar no desenvolvimento de mecanismos de visão de máquina. "Já existem metamateriais capazes de detectar luz circularmente polarizada, mas eles são difíceis de produzir e não funcionam adequadamente em todas as condições", esclarece o docente da UFSCar.
O artigo, intitulado "Polarization-sensitive optoionic membranes from chiral plasmonic nanoparticles" (www.nature.com/articles/s41565-022-01079-3), conta, além de Moura, com autoria do também docente do DQ Ernesto Chaves Pereira; do pesquisador de pós-doutorado no Departamento Evaldo Batista Carneiro-Neto e dos doutores pelo Programa de Pós-Graduação em Química da UFSCar Felippe Mariano Colombari, Mariana Cristina Silva e Weverson Rodrigues Gomes, além dos parceiros nas instituições estrangeiras.
Quiralidade
A quiralidade é um atributo geométrico de objetos, incluindo algumas moléculas - especialmente biomoléculas -, cuja estrutura tem distribuição espacial que impede a sobreposição à sua imagem refletida em um espelho. Macroscopicamente, um exemplo conhecido são as nossas mãos direita e esquerda. Microscopicamente, podemos dizer que a vida é quiral, pois moléculas essenciais como aminoácidos e açúcares apresentam quiralidade.
A quiralidade pode resultar em diferentes propriedades e em respostas biológicas distintas: enquanto a molécula orientada à direita pode, por exemplo, significar capacidade de prevenção ou tratamento de doenças, a mesma molécula orientada na direção oposta pode levar a algo que é tóxico.
Na indústria farmacêutica, embora existam protocolos rigorosos para a identificação de impurezas, o controle de qualidade em relação às moléculas quirais ainda é um desafio e nem sempre faz parte do monitoramento cotidiano. Em um segundo artigo, publicado emNature Photonics , o grupo de pesquisadores reporta justamente como o uso de um tipo específico de radiação - em terahertz, frequência de luz na faixa do infravermelho - foi bem sucedido na identificação de diferenças físicas e químicas entre formulações aparentemente idênticas.
A aplicação da radiação às biomoléculas quirais causa vibrações na sua estrutura muito específicas, como uma impressão digital de cada estrutura quiral, que os pesquisadores conseguiram registrar e medir. Além do controle de qualidade na indústria de suplementos ou fármacos, outro potencial aplicação é no diagnóstico de algumas doenças em que moléculas quirais são definidoras, como na análise da composição de cálculos renais ou na detecção do acúmulo das placas amiloides associadas ao surgimento de Alzheimer.
Porém, além de permitir a caracterização de estruturas quirais, a aplicação da radiação também pode influenciá-las. "A radiação em terahertz pode vir a substituir micro-ondas na síntese de moléculas em que a orientação é importante. Também existe a hipótese de que a vibração provocada torne nanofibras que causam doenças mais vulneráveis às intervenções médicas", lista o pesquisador da UFSCar.
O artigo "Chiral phonons in microcrystals and nanofibrils of biomolecules" (www.nature.com/articles/s41566-022-00969-1) tem autoria de Moura e Colombari e parceiros nos outros países.
As pesquisas contaram com financiamento das agências brasileiras Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), além do uso de recursos computacionais avançados do supercomputados Santos Dumont (no Laboratório Nacional de Computação Científica) e da Cloud@UFSCar.
"Nestes exemplos, estamos falando de grandes revoluções. Mas, mesmo com a espectroscopia e a Quântica consolidadas, atravessar novas fronteiras e, também, chegar às aplicações, depende de pequenos saltos tecnológicos ainda dentro da espectrofotometria", complementa o pesquisador, que figura entre os autores de dois artigos publicados recentemente em revistas do grupo
No primeiro destes artigos, publicado em
"Uma câmera de vídeo, por exemplo, absorve a luz e a transforma em informação sobre intensidade, cor. O novo dispositivo acrescenta mais um tipo de informação, que é a polarização da luz, transformando-a em informação elétrica", explica Moura. "A luz polarizada passa a ser, então, uma informação a mais que eu posso carregar através de uma fibra óptica, por exemplo, e este é um avanço importante para os materiais optoeletrônicos do futuro", complementa. O pesquisador também indica que a compreensão de como alguns animais conseguem detectar a polarização da luz pode ajudar no desenvolvimento de mecanismos de visão de máquina. "Já existem metamateriais capazes de detectar luz circularmente polarizada, mas eles são difíceis de produzir e não funcionam adequadamente em todas as condições", esclarece o docente da UFSCar.
O artigo, intitulado "Polarization-sensitive optoionic membranes from chiral plasmonic nanoparticles" (www.nature.com/articles/s41565-022-01079-3), conta, além de Moura, com autoria do também docente do DQ Ernesto Chaves Pereira; do pesquisador de pós-doutorado no Departamento Evaldo Batista Carneiro-Neto e dos doutores pelo Programa de Pós-Graduação em Química da UFSCar Felippe Mariano Colombari, Mariana Cristina Silva e Weverson Rodrigues Gomes, além dos parceiros nas instituições estrangeiras.
A quiralidade é um atributo geométrico de objetos, incluindo algumas moléculas - especialmente biomoléculas -, cuja estrutura tem distribuição espacial que impede a sobreposição à sua imagem refletida em um espelho. Macroscopicamente, um exemplo conhecido são as nossas mãos direita e esquerda. Microscopicamente, podemos dizer que a vida é quiral, pois moléculas essenciais como aminoácidos e açúcares apresentam quiralidade.
A quiralidade pode resultar em diferentes propriedades e em respostas biológicas distintas: enquanto a molécula orientada à direita pode, por exemplo, significar capacidade de prevenção ou tratamento de doenças, a mesma molécula orientada na direção oposta pode levar a algo que é tóxico.
Na indústria farmacêutica, embora existam protocolos rigorosos para a identificação de impurezas, o controle de qualidade em relação às moléculas quirais ainda é um desafio e nem sempre faz parte do monitoramento cotidiano. Em um segundo artigo, publicado em
A aplicação da radiação às biomoléculas quirais causa vibrações na sua estrutura muito específicas, como uma impressão digital de cada estrutura quiral, que os pesquisadores conseguiram registrar e medir. Além do controle de qualidade na indústria de suplementos ou fármacos, outro potencial aplicação é no diagnóstico de algumas doenças em que moléculas quirais são definidoras, como na análise da composição de cálculos renais ou na detecção do acúmulo das placas amiloides associadas ao surgimento de Alzheimer.
Porém, além de permitir a caracterização de estruturas quirais, a aplicação da radiação também pode influenciá-las. "A radiação em terahertz pode vir a substituir micro-ondas na síntese de moléculas em que a orientação é importante. Também existe a hipótese de que a vibração provocada torne nanofibras que causam doenças mais vulneráveis às intervenções médicas", lista o pesquisador da UFSCar.
O artigo "Chiral phonons in microcrystals and nanofibrils of biomolecules" (www.nature.com/articles/s41566-022-00969-1) tem autoria de Moura e Colombari e parceiros nos outros países.
As pesquisas contaram com financiamento das agências brasileiras Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), além do uso de recursos computacionais avançados do supercomputados Santos Dumont (no Laboratório Nacional de Computação Científica) e da Cloud@UFSCar.
Contato para esta matéria: Mariana Pezzo Telefone: (16) 33066563
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