Os plásticos são materiais essenciais para a sociedade moderna devido às suas propriedades específicas, mas os níveis crescentes de poluição provenientes dos resíduos de plástico representam uma crise ambiental global. Recentemente, uma cepa de bactéria Ideonella sakaiensis 201-F6 foi isolada e demonstrou uma capacidade incomum de degradar o poli(tereftalato de etileno) (PET). A PETase da cepa 201-F6 de I. sakaiensis (IsPETase) catalisa a hidrólise do PET convertendo-o em ácido mono-(2-hidroxietil) tereftálico (MHET), liberando tereftalato de bis-2(hidroxietil) (BHET) e tereftalato (TPA) como produtos. Uma segunda enzima, MHETase (enzima de digestão de MHET), posteriormente converte MHET em dois monômeros: etilenoglicol (EG) e TPA. Neste estudo, realizaremos simulações de dinâmica molecular (MD) para investigar o comportamento da IsPETase nativa e suas variantes e possivelmente de outras enzimas que desempenham papéis importantes no ciclo completo de degradação do PET. Além disso, exploraremos como as mutações afetam a termoestabilidade e a interação com o substrato PET. Nosso objetivo é elucidar o reconhecimento e ligação de substratos e o mecanismo catalítico das reações enzimáticas, para o qual empregaremos métodos híbridos que combinam mecânica quântica e mecânica molecular (QM/MM) para analisar PETase e suas variantes na degradação de PET. Esperamos obter informações cruciais que possam contribuir para o desenvolvimento de novos biocatalisadores para a biodegradação do PET. Essas descobertas também podem orientar pesquisas futuras na engenharia de estruturas PETase para melhorar a eficiência da reciclagem de polímeros.

A biomassa lignocelulósica é uma fonte renovável extremamente importante de biomateriais e energia. Os polissacarídeos presentes nas plantas, compostos principalmente por fibras de celulose, são a maior fonte de carboidratos da Terra, enquanto a lignina, outro componente importante das paredes celulares das plantas, é a segunda maior fonte de compostos aromáticos, sendo superada apenas pelo petróleo. A desconstrução desses biopolímeros em seus blocos de construção requer uma variedade de enzimas de diferentes famílias. O objetivo principal deste projeto é investigar a estrutura, dinâmica e características funcionais de enzimas ativas em substratos derivados de biopolímeros lignocelulósicos. Usaremos métodos avançados clássicos e híbridos quânticos/clássicos QM/MM MD em nossos estudos. O foco inicial da pesquisa será no SCMGH6 e na nossa seleção de candidatos para enzimas GH1. Esperamos obter insights sobre sua função biológica em estreita conexão com a análise experimental. (AU)

Propomos a aplicação de extensas técnicas clássicas de simulação MD e QM/MM para projetar mutações que possam aumentar a estabilidade térmica e a eficiência catalítica de enzimas para aplicações industriais. O foco principal do projeto será em xilanases e outras hidrolases glicosídicas (GHs) para sacarificação de polissacarídeos lineares de biomassa lignocelulósica, mas outras enzimas de interesse industrial, incluindo esterases, fitases e possivelmente outras, também podem ser consideradas à medida que o projeto evolui . A análise da paisagem conformacional, afinidade de ligação do ligante e itinerário catalítico serão realizados em mutantes putativos e comparados entre eles e com o tipo selvagem. As estratégias de prospecção de mutações candidatas para avaliação molecular in silico contarão com as varreduras Rosetta para alinhamento de sequências e varreduras de dissulfidização, além de nossa própria pesquisa automatizada. (AU)

O tema desta pesquisa de pós-doutorado é o estudo de mecanismos de reação e eficiência catalítica de enzimas ativas em substratos lignocelulósicos usando técnicas avançadas de modelagem molecular. As enzimas de interesse são principalmente Esterases (por exemplo, Glucuronil Esterases - GEs, Feruloil Esterases - FAEs) e ²-glicosidases Glicosídeo Hidrolases (GHs). GEs/FAEs e GHs estão envolvidos no pré-tratamento da biomassa lignocelulósica e na etapa de sacarificação, respectivamente. O melhoramento catalítico dessas enzimas tem um impacto potencial na redução dos custos de produção de biocombustíveis de nova geração. Propomos usar métodos híbridos de Mecânica Quântica/Mecânica Molecular (QM/MM) para descrever o mecanismo de reação dessas enzimas contra substratos lignocelulósicos e, posteriormente, aplicar abordagens de aprendizado de máquina para propor mutações que possam resultar em uma eficiência catalítica aprimorada das enzimas. As estruturas de estado de transição obtidas do QM/MM serão utilizadas como pontos de partida para o projeto com o protocolo enzimático Rosetta e estratégias de machine learning. Os modelos propostos serão posteriormente analisados usando redes neurais. Primeiro, vamos nos concentrar na obtenção de uma descrição molecular detalhada do mecanismo de reação e do rendimento catalítico estimado das enzimas usando QM/MM. Em seguida, combinaremos os dados obtidos para os campos eletrostáticos criados pelos resíduos-chave responsáveis pela estabilização dos estados de transição (TS) em algoritmos de aprendizado de máquina para propor novos modelos catalíticos. (AU)

Aquisição de cluster HPC de computadores como EMU no âmbito do Centro de Pesquisa de Computação em Engenharia e Ciências (AU)

Neste projeto, aplicaremos técnicas de otimização de topologia estrutural baseadas em métodos de elementos finitos (FEM) e descrições atomísticas ou de partículas (Molecular Dynamics - MD ou Discrete Element Method - DEM) dos diferentes constituintes poliméricos para estudar propriedades térmicas e mecânicas de fibras lignocelulósicas. O principal desafio é propor novas estratégias evolutivas para identificar modelos estruturais e estimar a topologia de materiais lignocelulósicos com base em propriedades térmicas e mecânicas pré-definidas.

Técnicas de metagenômica e de modelagem de proteínas por dinâmica molecular serão combinadas para identificar e estudar novas enzimas candidatas para a degradação de biomassa lignocelulósica com vistas à produção de etanol de segunda geração.

No projeto, propomos aplicar técnicas modernas de simulação de dinâmica molecular (MD) para estudar enzimas de interesse para conversão de biomassa celulósica e também para completar o estudo de uma nova família de Glicosil Hidrolases de seis membros e não publicada chamada GH-X que foi estudado durante o período de mestrado do aluno. O foco principal da pesquisa proposta está nos CBHs e EGs e outras enzimas de fungos e bactérias. Nosso interesse mais especificamente aqui é explorar a ligação do substrato de proteína-celulose no nível atomístico e entender os mecanismos de hidrólise catalítica dos polissacarídeos pelas enzimas. (AU)

Aqui, propomos aplicar técnicas modernas de simulação de dinâmica molecular (MD) para estudar enzimas de interesse para conversão de biomassa celulósica. O foco principal da pesquisa proposta está nos CBHs e EGs e outras enzimas de fungos e bactérias. Nosso interesse mais especificamente aqui é explorar a ligação do substrato de proteína-celulose no nível atomístico e entender os mecanismos de hidrólise catalítica dos polissacarídeos pelas enzimas. Para isso, propomos a aplicação dos métodos de mecânica quântica/mecânica molecular (QM/MM) aos polissacarídeos acoplados aos sítios ativos de enzimas correspondentes. Sistemas como uma cadeia de oligossacarídeos ancorados ao longo do túnel catalítico ativo de CBH I e/ou CBH II e em EGs são os principais alvos. Em um estágio posterior, também aplicaremos abordagens metagenômicas e metatranscriptômicas para nos ajudar a entender os melhores candidatos (celulases, hemicelulases e atividades auxiliares) para compor um coquetel. (AU)

O principal objetivo deste projeto é investigar as interações de celulose com compostos químicos encontrados na matriz da parede celular e também investigar as propriedades fundamentais das enzimas modificadoras de carboidratos usando métodos MD. Existem muitas abordagens distintas para investigar as interações químicas em simulações MD, com análise conformacional, estatísticas de ligação de hidrogênio e cálculos de energia livre sendo os métodos mais comuns. Diferentes modelos propostos serão usados em simulações para explicar a incerteza atual na estrutura da parede celular e enzimas e para obter insights sobre sua função biológica em estreita conexão com a análise experimental. Para interação celulose-hemicelulose, colaboramos de perto com o Prof. Paul Dupree, da Universidade de Cambridge. Para os estudos de enzima, contamos com nossos colegas da CCES e colaboradores do IFSC/USP e LNBR/CNPEM. (AU)