A hidrogenase de níquel-ferro, descrita pelos pesquisadores como “uma das enzimas mais complicadas e belas da natureza”, pode ser crucial no impulso mundial em direção a uma economia de energia renovável. Crédito: Mirica group, University of Illinois at Urbana-Champaign
Uma antiga enzima biológica conhecida como hidrogenase de níquel-ferro pode desempenhar um papel fundamental na produção de hidrogênio para uma economia de energia baseada em fontes renováveis, descobriram pesquisadores.O estudo cuidadoso da enzima levou os químicos da Universidade de Illinois Urbana-Champaign a projetar uma molécula sintética que imita a reação química de produção de gás hidrogênio realizada pela enzima.
Os pesquisadores relataram suas descobertas na revistaNature Communications.
Atualmente, o hidrogênio industrialé geralmente produzido pela separação de moléculas de gás hidrogênio deátomos de oxigêniona água usando um processo chamado eletrólise.
Para impulsionar essa reação química no ambiente industrial, a platina metálica é usada como catalisador nos cátodos que direcionam a reação.
No entanto, muitos estudos mostraram que o custo e a raridade da platina a tornam pouco atraente à medida que o mundo avança em direção a fontes de energia mais ecologicamente corretas.
Por outro lado, aenzimahidrogenase de níquel-ferro da natureza produz hidrogênio usando metais abundantes em seu núcleo, disse o professor de química Liviu Mirica, que liderou o estudo com o estudante de pós-graduação Sagnik Chakrabarti.
“O níquel no núcleo da enzima natural produz hidrogênio reduzindo prótons na água”, disse Chakrabarti.“Durante o processo catalítico, o centro de níquel passa por intermediários paramagnéticos, o que significa que os intermediários têm um elétron desemparelhado – o que os torna extremamente de curta duração.”
Os químicos sintéticos fizeram compostos de níquel que produzem hidrogênio por mais de uma década, disse Mirica.Embora alguns desses compostos sejam muito eficientes na produção de hidrogênio, a grande maioria deles opera por meio de intermediários que não são paramagnéticos.
“Os pesquisadores estão tentando imitar exatamente o que a naturezafaz porque é eficiente, e maximizar a eficiência é um desafio importante a ser superado ao projetarfontesdeenergia“, disse Mirica.“Ser capaz de reproduzir as etapas intermediárias paramagnéticas que ocorrem na enzima natural é o que nosso grupo está tentando alcançar – aumentar a eficiência e imitar a natureza.”
Para conseguir isso, a equipe projetou uma molécula orgânica chamada ligante que contém átomos doadores de elétrons, como nitrogênio e enxofre, e pode manter o níquel no lugar e apoiar os dois estados paramagnéticos relevantes que produzem hidrogênio.O principal ELEMENTO DE DESIGN que diferencia essa molécula de outros catalisadores é a presença de uma ligação carbono-hidrogênio perto do centro de níquel que é quebrada e formada novamente durante a catálise.Isso foi crucial para estabilizar os estados paramagnéticos mencionados acima.
“Uma das principais conclusões do nosso trabalho é que, usando oliganteespecialmente projetado da maneira que fizemos, unimos com sucesso ideias de dois campos da química inorgânica – química bioinorgânica e organometálica – para fazer complexos deníquelque se comportam de maneirasemelhante aoativo localde uma das ENZIMASMAIS BELAS e COMPLICADAS da natureza“, disse Chakrabarti.
No passado recente, várias enzimasincomuns foram encontradas com ligações metal-carbono em seus locais ativos, disseram os pesquisadores.
Tais PRINCÍPIOS DE DESIGNem complexos sintéticos podem levar a mais informações sobre como a naturezarealizaa química com pequenas moléculas como o hidrogênio.
Os ex-pesquisadores de Illinois Soumalya Sinha, Giang N. Tran e Hanah Na contribuíram para este estudo.
[Ênfase adicionada]
Mais informações:Sagnik Chakrabarti et al, Characterization of paramagnetic states in an organometallic nickel hydrogen evolution electrocatalyst,Nature Communications(2023).DOI: 10.1038/s41467-023-36609-7
Em meus artigos mais recentes (aqui, aqui), resumi como a personalidade do YouTube Dave Farina deturpou a pesquisa do químico sintético Bruce Lipshutz e como o colega químico sintético Lee Cronin distorceu a relevância de sua pesquisa para o mistério da origem da vida.
Agora, vou resumir James Tour desmascarado o duplo padrão aplicado por outro químico sintético, Steve Benner, ao avaliar a pesquisa da origem da vida de outros investigadores em comparação com a sua própria.
Veja (áudio em inglês) os vídeos do Tour abaixo:
Se Benner avaliasse seus experimentos pelo mesmo padrão que aplicava aos outros, ele teria reconhecido que suas tentativas de entender a origem da vida não renderam nada de valor.Seu fracasso é particularmente notável, visto que ele é uma figura importante no campo.
▪️ A Crítica Imprecisa de Benner ao Tour
Benner começou sua entrevista com Farina deturpando completamente o conteúdodos vídeos de Tour, demonstrando que não os assistiu com atenção.Ele então afirmou a crítica de Tour aos experimentos que começam com compostos ultrapuros comprados comercialmente, depois os deixam interagir sob um controle muito estrito e, finalmente, extraem da confusão algumas moléculas que são biologicamente úteis.Tal pesquisa não tem relevância para o que poderia ter ocorrido na Terra primitiva.
Benner então afirmou que os químicos prebióticos “trabalham muito para não fazer essa crítica se aplicar”. Tour demonstrouque o retrato do campo de Benner é totalmente impreciso, listando numerosos químicos sintéticos que realizam o mesmo tipo de experimentos irrealistas.
Todo experimento que gerou algo útil para a vida teve que começar com misturas químicas irreais e empregar controle extremo do investigador, e todo experimento que começa com moléculas e condições realistas gera uma mistura intratável de inúmeras moléculas orgânicas que nunca poderiam contribuir para a origem da vida (aqui, aqui, aqui).
▪️ Sintetizando Nucleotídeos
Tour então analisou o experimento de Benner que produziu ribose, uma porção de nucleotídeos.
O experimento deixou o formaldeído e o glicolaldeído reagirem na presença de borato e outros minerais, e os produtos foram então identificados.
Tour caracterizou o resultado do experimento como “lixo”.Como em todos esses experimentos, a ribose nunca poderia se separar dos outros compostos e então se combinar com uma nucleobase e fosfato para formar nucleotídeos em concentrações não-traços sob quaisquer condições naturais realistas.
Tour então expôs como o caminho proposto por Benner para gerar nucleotídeos depende da própria intervençãoque Benner afirmou ter trabalhado duro para evitar.
Benner afirmou em seu artigo de 2019 publicado na revista Lifeque a ribose poderia ter reagido com amidotrifosfato (AmTP) para anexar um fosfato à ribose sem intervenção humana.No entanto, esta reação não funcionará com o produto do experimento de síntese de ribose de Benner.Em vez disso, a ribose ultrapura deve ser comprada comercialmente.
Todas as alegações de que essas moléculas são prebióticamente relevantes são baseadas em trilhas de citações que não levam a lugar nenhum.
Como problema final, Tour identificou o uso de cloreto de magnésio(MgCl2) para viabilizar a reação.O desafio é que esse composto impediria que os nucleotídeos se ligassem em cadeias.Da mesma forma, as condições químicas necessárias para produzir ribose sãodiferentes daquelas necessáriaspara produzir nucleobases.Conseqüentemente, a síntese de nucleotídeos requer o transporte de moléculas para diferentes ambientes com tempo e condições muito mais orquestrados do que o que poderia ocorrer naturalmente.
▪️ Formando RNA Em Vidro de Basalto
Mais tarde em sua entrevista, Benner afirmou que seus colegas demonstraram que os nucleotídeos poderiam ter se ligado em longas cadeias em rochas antigas sem “materiais de partida puros ou intervenção humana constante”.
A formação de cadeias nunca teria ocorrido sem as condições experimentais cuidadosamente controladas.Mesmo com as condições irrealistas, o experimento gerou cadeias contendo muitos nucleotídeos ligados com as ligações erradas, de modo que as cadeias seriam inúteis para qualquer cenário de origem da vida.
O mesmo é verdade para as afirmações de que qualquer um dos principais desafiosna explicação da origem da vida por meio de processos não direcionados foi resolvido.
“As comunidades que estudam as origens da vida divergiram nos últimos anos”, observou Steven Benner, coautor do estudo publicado online na revistaAstrobiology.
“Uma comunidade revisita questões clássicas com esquemas químicos complexos que exigem química difícil realizada por químicos qualificados”, explicou Benner.“Seus belos trabalhos manuais aparecem em revistas de renome, como Naturee Science.”
No entanto, precisamente por causa da complexidade dessa química, ela não pode explicar como a vida realmente se originou na Terra.
Em meu último artigo, resumi a segundatemporada da série de vídeos do químico sintético James Tour, da Rice University, sobre a origem da vida.Aqui, vou expandir a resposta de Tour a seu colega químico sintético Lee Cronin, onde ele detalha o exagero consistente de Cronin sobre o progresso que ele e outros pesquisadores fizeram para desvendar o mistério da origem da vida.Veja [áudio em inglês] as Partes 1 a 3 abaixo:
▪️ Hype Autocatalítica
Um tema comum nas teorias da origem da vida centra-se no que é chamado de conjuntos de reações autocatalíticas, onde o produto de uma reação catalisa (isto é, acelera) outra reação cujo produto catalisa outra reação em uma rede de reações interconectadas.Os teóricos esperam que tais conjuntos de reações possam ter evoluído para um metabolismo inicial em uma célula primitiva.
Em sua entrevista, Cronin descreveu sua pesquisa sobre um conjunto deaglomerados atômicos autocatalíticos baseados em molibdênio e sugeriu que isso fornece evidências de que uma química comparável na Terra primitiva poderia ter evoluído para uma célula autônoma.Tour descreveu o conjunto de reações em seu experimento como “um monte de bobagens”, uma vez que não se assemelham a nada que poderia ter ocorrido na Terra antiga.
A rede autocatalítica de Cronin só pode existir em um ambiente de laboratório cuidadosamente controlado, e as reações não têm semelhança com o metabolismo celularou qualquer processo relevante à vida.Em geral, as redes autocatalíticas orgânicas requerem uma engenharia cuidadosapara iniciar e persistir, e as teorias de origem baseadas em redes autocatalíticas enfrentam obstáculos intransponíveis, como reações colaterais que travariam o sistema.
▪️ Onde está a Ribose?
No próximo clipe de entrevista, Cronin afirmou que em outro experimento ele foi capaz de “dirigir” a química necessária para produzir ribose, o açúcar em nucleotídeos, para reduzir moléculas estranhas.
Tour destacou no artigo publicado de Cronincomo ele apenas pensou ter reduzido o número de moléculas estranhas porque examinou apenas os produtos que não precipitaram da solução.Mesmo a solução que Cronin estudou continha um grande número de moléculas contaminantes, muitas das quais eram compostas pelos mesmos átomos da ribose, mas em configurações diferentes.
O produto do experimento não poderia auxiliar na origem da vida já que a ribose estava em concentrações tão pequenas, e nunca poderia ser separada das outras moléculas por nenhum processo natural.
As moléculas de ribose raramente, ou nunca, se combinam com as outras moléculas necessárias para formar nucleotídeos (ou seja, nucleobase e fosfato).Quaisquer nucleotídeos que se formassem estariam em concentrações tão minúsculas que nunca poderiam se ligar a uma cadeia de RNA suficientemente longa para beneficiar uma célula em desenvolvimento e, mesmo que os RNAs se formassem, eles se separariam rapidamente (aqui,aqui).
▪️ Aumentando o Calor
Cronin também descreveu seu experimentoligando aminoácidos em cadeias e, em seguida, afirmou que demonstrou a plausibilidade de aminoácidos ligando-se a proteínas na Terra primitiva. A turnê mostrou que Croninnovamente exagerou grosseiramente sua realização.
Seu experimento começou com aminoácidos homoquiraisem purezas e concentrações que não poderiam ter ocorridona Terra primitiva.Além disso, ele teve que aquecer os aminoácidos a 130°C (266°F) por 15 horas apenas para ligá-los em pequenas cadeias.
No entanto, essas altas temperaturas decompõem rapidamente a maioria dos blocos de construção da vida (aqui, aqui), então qualquer outro progresso em direção à vida seria perdido.
Igualmente problemático, as cadeias geradas continham tantas ligações incorretas e eram tão pequenas que eram biologicamente inúteis.
Tour enviou o artigo de Cronin a um químico de peptídeospara confirmar sua conclusão sobre a irrelevância do experimento de Cronin para explicar como os aminoácidos poderiam ter se formado em proteínas em um ambiente pré-biótico.Seu amigo respondeu que o experimento é “uma química interessante, mas não é prática para nada”.O elogio de Cronin à sua própria pesquisa foi puro exagero.
▪️ Protocélulas Oleosas
Em uma exibição final de bravata, Cronin afirmou ter demonstradoem outro experimento a formação de protocélulas e a replicação.Aqui estão suas palavras exatas:
A única coisa aqui é que fomos capazes de mostrar que podemos combinar catálise com moléculas que produziriam um material semelhante a uma célula e que conduziria a replicação da célula…
Então, o que mostramos é que você tem esse processo em que naturalmente faz células-filhas sem nenhuma informação, você sabe, nenhum DNA necessário, nenhuma genética necessária, nenhuma maquinaria complicada para que possamos obter a replicação antes dos genes.
Não apenas o experimento é irrelevante para a origem da vida, mas a química nunca poderia ocorrer sem equipamento de laboratório avançado e químicos altamente treinados.Tour propôs que a deturpação consistente de Cronin sobre a relevância de sua pesquisa para a origem da vida é uma consequência de ele não saber nada sobre química orgânica, uma deficiência que Cronin reconheceu.
CharlesThaxton ganhou um “D” em biologia no ensino médio e estava prestes a reprovar em química.Depois de um semestre olhando para um quadro-negro cheio de palavras sem sentido, ele ainda não conseguia equilibrar uma equação.E então, na noite anterior ao exame final, tudo ficou claro para ele em um sonho.Literalmente.Ele dormiu, sua mãe orou e ele acordou capaz de equilibrar as equações.Esse sonho catalisou uma reação, por assim dizer, que acabou alterando o curso da ciência da origem da vida.
Thaxton tornou-se um cientista de primeira classe e um pouco encrenqueiro para o estabelecimento.
Ele fez perguntas que poucos ousaram – como se as evidências científicas que obtivemos sobre a origem da vida apóiam as teorias populares e onde realmente estão os limites da ciência.
Enquanto derrubava os pressupostos sagrados do estabelecimento científico, Thaxton lançou as bases para uma nova comunidade de cientistas de mente aberta que estavam prontos para uma mudança.Décadas depois, Thaxton e aqueles que ele orientou e inspirou continuam a desafiar “a ciência” com asevidências.
Em seu recente livro de memórias “A Leg to Stand On”, Thaxton relata sua juventude nada auspiciosa e a inesperada aventura de sua vida com franqueza, gratidão e um toque de humor auto-depreciativo.Ele nos conta que sua primeira motivação para o sucesso acadêmico foi evitar uma vida de colheita de algodão no Texas.Felizmente, ele descobriu o amor pelo ensino, e o desejo de buscar e compartilhar conhecimento e compreensão o levou a quase todas as aventuras de sua vida.
O plano de não colher algodão começou de forma amorfa.Se não for algodão, então o que?Até seu último ano no ensino médio, ele nunca havia pensado em frequentar a faculdade.
Ninguém, muito menos seus professores, esperava que ele o fizesse.Mas ele sabia que havia perdido tempo e que queria levar a sério o aprendizado.Felizmente, a faculdade local exigia apenas que ele respirasse, então foi para lá que ele foi.Era sua única opção, e ele aproveitou ao máximo.Não muitos anos depois, ele obteve um Ph.D.em química pela Iowa State University e fez pós-doutorado em história da ciência – em Harvard, nada menos.
O interesse de Thaxton voltou-se especificamente para a evolução química e a origem da vida depois que ele leu o artigo de Michael Polanyi de 1967 “Life Transcending Physics and Chemistry” em Chemical and Engineering News.Polanyi, um químico físico, argumentou que a vida não é redutível à mera química e física.Thaxton poderia ter esquecido o artigo se, logo após lê-lo, não tivesse ouvido uma análise dele por Francis Schaeffer, que chamou a afirmação de Polanyi de “uma das proposições mais notáveis do século XX”.Thaxton ficou intrigado.Ele começou a examinar o estado do campo de origem da vida e o achou… bem, digamosimprodutivo.
▪️ Rejeitando Darwin
Ao longo do final da década de 1970, Thaxton deu palestras em universidades de todo o país nas quais questionava a produtividade do atual programa de pesquisa sobre a origem da vida, incluindo suas variações sobre o tema do “pequeno lago quente” de Darwin.
Por exemplo, ele apontou que apenas com uma intervenção significativa do investigador poderia qualquer um dos ambientes hipotéticos da Terra primitiva replicados experimentalmente realmente produzir moléculas biologicamente relevantes.
Sem intervenção, as reações cruzadas interferentes impediriam a formação das moléculas desejadas.A sopa prebiótica simplesmente não teria sido favorável à evolução da vida através daabiogênese.
Conversas como essa atraíram fortes reações de colegas cientistas, muitos dos quais sabiam que a crítica era legítima e não gostaram das implicações.Thaxton era conhecido por ser cristão, e seu trabalho certamente era motivado por sua fé.Mas para os ouvintes que assumiram que a crítica de Thaxton à pesquisa sobre a origem da vida seria baseada na religião e na emoção, sua abordagem solidamente baseada na ciência veio como um choque e um alerta.
Thaxton relata uma sessão com cerca de 25 professores e estudantes de pós-graduação durante a qual cientistas de diferentes disciplinas se opuseram à sua crítica, cada um chamando outro cientista em outro campo.À medida que cada um, por sua vez, afirmava inesperadamente a correção dos pontos de Thaxton, ficava claro que os cientistas haviam confiado no que acreditavam ser verdadefora de suas próprias áreas de especializaçãopara sustentar suas próprias teorias, onde reconheciam fraquezas.
Esses cientistas precisavam de uma visão interdisciplinar da teoria evolutiva para ver seu verdadeiro estado.
▪️ Uma Visão Interdisciplinar
Thaxton era o homem para esse trabalho.Em 1976, ele foi convidado a revisar um manuscrito sobre a origem da vida de Walter Bradley, um engenheiro, e Roger Olsen, um geólogo.Thaxton viu o valor do que leu e sabia o que estava faltando: mais química!“Você é o químico”, disseram os outros.
Assim, após anos de pesquisa e colaboração, em 1984, Bradley, Olsen e Thaxton publicaram uma rigorosa crítica interdisciplinar da pesquisa sobre a origem da vida: “O mistério da origem da vida: reavaliando as teorias atuais”.(O livro foi republicado em 2020 com vários novos capítulos pelos principais especialistas.) Nele, eles se aprofundaram, entre outras coisas, na geoquímica da Terra primitiva, no papel da termodinâmica em sistemas ordenados e na necessidade de informações, não apenas energia, para cumprir a ordem que vemos na vida.
Seu trabalho era persuasivo.O livro recebeu respostas inesperadamente positivas de colegas cientistas, muitos dos quais aceitaram suas críticas por seus méritos, e até o receberam como uma avaliação precisa e muito necessária do estado do campo.
Thaxton, et al.retiveram sua hipótese alternativa – que uma causa inteligente estava por trás da origem da vida – até o final do livro, permitindo que os leitoresmaterialistasconsiderassem as evidências contra a evolução química em seus próprios termos antes de serem convidados a fazer a concessão de mudança de paradigma de que a evidência garante uma conclusão imaterial.
▪️ Liderando um Movimento
À medida que “Mystery” ganhava leitores, Thaxton se viu na vanguarda de um novo movimento.O livro mudou mentes e serviu como um grito de guerra para aqueles que já pensavam da mesma forma: finalmente reuniu cientistas e pensadores como Dean Kenyon, Phillip Johnson, William Dembski e Stephen C. Meyer, e a lista continua.
Esses nomes agora são quase sinônimos de “Design Inteligente”.
E há muitos nomes que não conhecemos.No começo, os cientistas muitas vezes sussurravam para Thaxton que concordavam com sua crítica – e talvez com suas conclusões.Muitos mais estão sussurrando hoje, e suas vozes estão ficando mais altas.
Na década de 1970, um aluno certa vez perguntou: “O que Carl Sagan diz” sobre a crítica de Thaxton às teorias materialistas da abiogênese?Para muitos, Sagan era a autoridade científica máxima.Ele era o que hoje chamamos de “a ciência”.
A resposta de Thaxton foi perguntar não o que Carl Sagan diz, mas o que dizem asevidências.Hoje, com muito crédito devido a Thaxton, muitas mentes brilhantes estão fazendo a última pergunta.
Estereoma de equinoderme como um sólido celular bicontínuo.aFotografia de um ouriço-do-marH. mamillatusvisto ventralmente .bImagem SEM da estrutura do estereoma.Imagem óptica inserida da seção transversal de uma lombada.cReconstruções µ-CT do estereoma e da estrutura de vazios correspondente (inserção).ds,dv, edtrepresentam as espessuras (diâmetros) de estereoma, estrutura de vazios e gargantas, respectivamente.d,eRede celular 3D de estéreo e a estrutura de vazios correspondente com tipos de nós coloridos por suas conectividades.f,g As distribuições de espessura do estereoma (ds) e a estrutura de vazios correspondente (dv).hRenderização em 3D de pequenas gargantas (dt < 24 μm) para volume (c).iDistribuiçãodeds,dvedt.__jDistribuição da forma interfacial do estereoma.κ1eκ2são as curvaturas principais máxima e mínima, respectivamente.kVisualização de regiões em estéreo com distribuições de curvatura mostradas em (j), onde as regiões roxas e verdes correspondem a superfícies mínimas com curvatura média zero e a superfície de sela com maior densidade de distribuição, respectivamente. lUma imagem SEM da superfície da ramificação do estereoma.Crédito:Nature Communications(2022).DOI: 10.1038/s41467-022-33712-z
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Ling Li, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica da Virginia Tech, desvendou um mistério nas microestruturas porosas de exoesqueletos de ouriços-do-mar que podem levar à criação de cerâmicas sintéticas leves.Suas descobertas foram publicadas naNature Communications.
As cerâmicas são altamente resistentes ao calor, o que as torna a escolha favorita para gerenciar as brutais demandas térmicas de veículos de alta velocidade que viajam mais rápido que a velocidade do som.Nessas velocidades vertiginosas, o ar comprimido cria atrito significativo contra o veículo, resultando em um rápido aumento no calor que encontra.
As cerâmicas tornam-se ainda menos tolerantes a danos quando são tornadas porosas pararedução de peso;no entanto, a redução do peso é um requisito crítico para muitas aplicações estruturais, incluindo veículos de alta velocidade.
A Força Aérea dos EUA, um dos patrocinadores da pesquisa de Li, há muito se interessa em melhorar o desempenho mecânico dos materiais cerâmicos.Além de receberapoio financeirodo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, a equipe de Li também obteve fundos da National Science Foundation.
Esses fundos combinados, recebidos pelo laboratório em 2018, equiparam os pesquisadores para explorar novos princípios de DESIGNincorporados nos sólidos celulares cerâmicos naturais formados por organismos como ouriços-do-mar.O exoesqueleto de um ouriço-do-mar é um tipo de sólido celular, ou “espuma”, assim chamado porque sua microestrutura é um conjunto de células abertas com bordas ou faces sólidas, agrupadas para preencher o espaço.As lacunas entre as células as tornam porosas, criando um material que pode ser mecanicamentemaiseficiente do que estruturas densas.
▪️ Como lidar com os danos como um ouriço do mar
“Neste trabalho, achamos que encontramos algumas das principais estratégias que permitem que o ouriço-do-mar seja forte e resistente, oferecendo redução de peso com sua microestrutura porosa”, disse Li.“Este artigo daNature Communicationsrelata os resultados que encontramos do que está escondido dentro”.
Os espinhos dos ouriços-do-mar são rígidos, fortes e leves.Esses espinhos são feitos de um mineral quebradiço chamadocarbonato de cálcio, que é semelhante à cerâmica sintética, mas o ouriço tem uma tolerânciamuitomaior a danos ao receber peso ou força.A equipe de Li testou esse princípio pressionando as espinhas mecanicamente, simulando o mesmo tipo de condição sob a qual uma cerâmica de engenharia pode precisar resistir.
Os espinhos do ouriço-do-mar deformaram-se graciosamente sob a força exercida sobre eles, em contraste com a falhacatastrófica dos atuais sólidos celulares cerâmicos sintéticos.Esse comportamento de “falha graciosa”permite que os espinhos do ouriço-do-mar resistam a danos com capacidade significativa de absorção de energia.
No decorrer desta pesquisa, a equipe de Li descobriu alguns segredos que dão ao ouriço sua capacidade de se manter unido durante o carregamento mecânico.
▪️ Segredos das profundezas
“Existem alguns segredos nas características estruturais dos espinhos dos ouriços-do-mar. Um deles está relacionado à conexão dos ramos”, disse Li.“O segundo é o tamanho dos poros.”
Sob um microscópio, a equipe de Li observou uma arquitetura de ramos curtos interconectados.Uma rede de nós mantém esses ramos juntos, e um dos segredos da tolerância a danos do ouriço é o equilíbrio entre o NÚMERO de nós e ramos.Esse NÚMERO é PRECISAMENTECRÍTICO porque nós com muitas ramificações conectadas farão com que a estrutura se torne mais frágil e quebrável.
Os nós na estrutura porosa em espinhos de ouriço-do-mar estão conectados a três ramos em média, o que significa que a rede de ramos sofrerá fratura induzida por flexão em vez de fratura induzida por estiramento mais catastrófica.
O segundo segredo está no tamanho das lacunas, ou poros, entre os ramos.
A equipe descobriu que as lacunas dentro da estrutura porosa dos espinhos dos ouriços-do-mar são apenas um pouco menores do que o tamanho dos galhos.Isso significa que, uma vez que os ramos fraturam, eles podem ser travados imediatamente por essas aberturas menores.Galhos quebrados se empilham uns sobre os outros nos poros, criando uma região densa que ainda é capaz de sustentar a carga.
Os ouriços-do-mar também têm uma morfologia de superfície diferente da cerâmica sintética.
Cerâmicas celulares fabricadas têm MUITOS DEFEITOS microscópicos em suas superfícies e internamente, tornando esses materiais mais suscetíveis a FALHAS.Este NÃO É O CASO da espinha do ouriço-do-mar, que tem uma superfície quase vítrea, lisa até a escala nanométrica.DEFEITOS são pontos a partir dos quais os danos podem começar, e A FALTA DE DEFEITOS significa a falta de locais propensos a FALHAS.
Li demonstrou essa ideia com um pedaço de papel.“Quando você tenta rasgar um pedaço de papel não danificado, o papel resiste a rasgar.
Se você fizer um pequeno rasgo na lateral do papel, no entanto, o rasgo continuará a partir desse ponto danificado.”
Com galhos, poros e uma superfície lisa em jogo, os espinhos leves do ouriço-do-mar alcançamaltaresistência e tolerância a danos, distribuindo uniformemente o estresse dentro da estrutura e absorvendo energia com mais eficiência.
▪️ Fazendo a próxima geração de cerâmica
Com esse conhecimento, podemos recriar a suavidade, a falta de defeitos e as estruturas específicas de ramificações e nós necessáriaspara capitalizar os segredos do ouriço-do-mar?No momento, não podemos, porque os métodos atuais de processamento de cerâmica não estão lá.
O primeiro passo é criar a forma, e o segundo é queimar a peça para que a cerâmica endureça, o que lhe confere a resistência pela qual é conhecida.Os oleiros seguem esse método quando criam uma panela e a aquecem em um forno.Processos semelhantes também são usados para cerâmicas impressas em 3D, onde a etapa de impressão 3D forma a forma e, em seguida, a queima subsequente é necessária para produzir as peças cerâmicas finais.
Essa etapa de queima, ou sinterização, é a mais problemática para recriar a microestrutura do ouriço-do-mar, porque o processo de sinterização leva à formação de defeitos microscópicos, tornando-os de baixa resistência.
“No meu laboratório, também estamos interessados em COMO organismos comoos ouriços-do-marFORMAM esses sólidos celulares cerâmicos naturais“, disse Li.
“Esperamos que um dia possamos não apenas integrar os princípios de DESIGN de materiais a materiais cerâmicos leves de INSPIRAÇÃObiológica, mas também as estratégias de processamento de materiais aprendidas com sistemasnaturais”.
[Ênfase adicionada]
Mais informações:Ting Yang et al, High strength and damage-tolerance in echinoderm stereom as a natural bicontinuous ceramic cellular solid,Nature Communications(2022).DOI: 10.1038/s41467-022-33712-z
Pesquisadores da Universidade de Alberta encontraram uma resposta para uma questão fundamental na biologia genômica que tem escapado aos cientistas desde a descoberta do DNA: dentro do núcleo de nossas células, o complexo pacote de DNA e proteínas chamado cromatina é um sólido ou um líquido?
Em um estudo publicado na revista Cell, a equipe de pesquisa, liderada pelo professor do Departamento de Oncologia Michael Hendzel e pelo colaborador Jeffrey Hansen da Colorado State University, descobriu que a cromatina não é nem sólida nem líquida, mas algo mais parecido com um gel.
Anteriormente, campos como a bioquímica operavam sob o pressuposto de que a cromatina e outros elementos do núcleo operavam em estado líquido, disse Hendzel. Esta nova compreensão das propriedades físicas da cromatina desafia essa ideia e pode levar a uma compreensão mais precisa de como o genoma é codificado e decodificado.
“Todos nós sabemos a diferença entre água e gelo, e todos nós entendemos que se você quiser amarrar duas coisas, por exemplo, você nãopode fazer isso com um líquido. Você precisa de uma corda, algo que tenha resistência mecânica”, afirmou disse Hendzel, que também é membro do Instituto de Pesquisa do Câncer do Norte de Alberta (CRINA). “É disso que estamos falando aqui. No momento, todo o nosso conhecimento sobre a regulação do gene é amplamente baseado na suposição de proteínas que se movem livremente que encontram DNA e cuja acessibilidade é regulada apenas pelo bloqueio desse movimento. Portanto, esta pesquisa poderia potencialmente levar a tipos muito diferentes de maneiras de compreender a expressão do gene.“
“Outra maneira de olhar para isso é que ossos, músculos e tecido conjuntivo têm propriedades físicas muito diferentes e, se essas propriedades físicas se quebram de alguma forma, isso quase sempre está associado a doenças“, disse Alan Underhill, professor associado do Departamento de Oncologia, Membro CRINA e colaborador do estudo. “No caso da cromatina, trata-se de reduzir esse princípio ao nível do núcleo da célula, porque está tudo conectado.”
“O que estamos vendo aqui faz uma ponte entre a bioquímica do conteúdo celular e a física subjacente, permitindo-nos chegar aos princípios organizacionais – não apenas para as células, mas para todo o corpo“, acrescentou.
Todos os nossos cromossomos são feitos de cromatina, que é metade histona (ou proteínas estruturais) e metade DNA, organizados em longas cordas com estruturas semelhantes a elos de um colar de pérolas (nucleossomos). Dentro do núcleo de uma célula, a fibra da cromatina interage consigo mesma para se condensar em um cromossomo. A fibra de cromatina também suporta a expressão gênica e a replicação do DNA cromossômico. Embora haja alguma compreensão das estruturas que compõem um núcleo, como essas estruturas são organizadas e toda a extensão de como as estruturas interagem entre si não é bem conhecido.
As descobertas da equipe fazem uma ponte sobre pesquisas feitas nos últimos 50 anos em géis de cromatina produzidos em laboratório para demonstrar sua existência em células vivas, o que tem implicações importantes para interpretar suas propriedades elásticas e mecânicas, explicou Hendzel.
Por exemplo, estudos recentes mostraram que a deformabilidade da cromatina em células cancerosas é um determinante importante de sua capacidade de se espremer por pequenos espaços para viajar para fora de um tumor e metastatizar em outras partes do corpo – algo que é muito mais fácil de explicar se a cromatina for como gel em vez de um líquido. As células cancerosas fazem isso alterando quimicamente a parte histona da cromatina para torná-la menos pegajosa, disse Hendzel.
Com base na nova pesquisa, isso agora pode ser explicado como um processo que reduz a resistência do gel, tornando-o mais deformável e permitindo que as células cancerosas se espalhem pelo corpo. Definircomo esse estado de gel é regulado pode levar a novas abordagens para prevenir metástases, encontrando drogas que mantêm o gel de cromatina em um estado mais rígido.
Uma melhor compreensão da cromatina também pode afetar o diagnóstico de câncer, disse Underhill.
“A textura e aparência da cromatina é algo que os patologistas têm usado para fazer avaliações clínicas em amostras de tumor de pacientes“, disse ele. “É realmente observar como a cromatina está organizada dentro do núcleo que lhes permite fazer uma compreensão desse diagnóstico clínico. Portanto, agora é um processo que podemos reformular em um novo contexto do estado material da cromatina.“
Hendzel disse estar confiante de que a descoberta do estado gelatinoso da cromatina fornecerá um princípio orientador para pesquisas futuras que buscam entender como as propriedades materiais da cromatina moldam a função do núcleo para garantir a saúde das células e dos organismos que elas constituem.
“Uma das coisas mais significativas para mim é que esta pesquisa destaca o quão limitado é o nosso conhecimento nesta área”, disse ele. “Atualmente, estamos focados em testar a crença amplamente difundida de que o tamanho físico das moléculas determina sua capacidade de acessar o DNA. Nossos experimentos em andamento sugerem que isso também pode estar incorreto, e estamos bastante entusiasmados em aprendernovosmecanismos que controlamo acesso a DNA baseado nas propriedades do gel de cromatina e nos microambientes líquidos que se agrupam ao seu redor.“
“Acho que isso nos força a voltar e olhar o que está nos livros didáticos e reinterpretarmuitas dessas informações no contexto de se ‘isto é um líquido’ ou ‘isto é um gel’ em termos de como o processorealmente ocorre,” acrescentou Underhill. “Isso terá um grande impacto sobre como realmente pensamos sobre as coisas que estão avançando e como projetamos experimentos e os interpretamos.“
[Ênfase adicionada]
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Mais informações: Hilmar Strickfaden et al, Condensed Chromatin Behaves like a Solid in the Mesoscale In Vitro and in Living Cells, Cell (2020). DOI: 10.1016 / j.cell.2020.11.027
Uma fêmea de besouro brilhando com uma luz verde-amarela. Crédito: NYU Abu Dhabi
Uma equipe de pesquisadores do Laboratório de Materiais Inteligentes (SML) da NYU Abu Dhabi (NYUAD) liderada pelo Professor de Química Pance Naumov conduziu uma revisão completa da literatura científica em torno da produção natural de luz, chamada bioluminescência, e desenvolveu conclusões que ajudarão outros na área direcionarem suas pesquisas para descobrir os mistérios por trás desse fascinante fenômeno natural.
No novo estudo The Elusive Relationship Between Structure and Color Emission in Beetle Luciferases, que foi apresentado na capa da revista Nature Reviews Chemistry, Naumov e colegas forneceram a visão crítica mais abrangente do campo da bioluminescência de besouros, incluindo vaga-lumes, até a presente data.
Os pesquisadores da NYUAD, incluindo os associados de pós-doutorado do grupo Naumov César Carrasco-López e Stefan Schramm, e o estudante de graduação Nathan M. Lui, identificam os intrincados fatores estruturais que governam a cor da luz emitida pelas luciferases selvagens e mutantes, as enzimas que geram luz. Eles também demonstraram que é possível construir uma biblioteca de enzimas bioluminescentes no futuro, o que permitirá aos pesquisadores controlar a cor e a intensidade da emissão de luz por engenharia de luciferases à vontade.
“Aprender com a natureza nos fornecerá ferramentas para projetar luciferases que podem emitir cores em uma ampla gama de energias“, disse Naumov. “Isso nos ajudará a expandir a gama de aplicação dessas e de enzimas semelhantes para algumas aplicações interessantes em biologia e medicina, incluindo diagnóstico precoce e prevenção de doenças.“
Ao longo da história da humanidade, a bioluminescência tem sido uma inspiração para cientistas, artistas e leigos. Fungos brilhantes ou ostracodes têm sido usados por tribos e soldados como lanternas para guiar seu caminho pelas selvas sem a necessidade de eletricidade, e vaga-lumes eram usados pelos mineiros como luzes de segurança.
O Prêmio Nobel de Química de 2008 foi concedido pela descoberta da proteína fluorescente verde, uma proteína bioluminescente encontrada na água-viva Aequorea victoria. Hoje, a bioluminescência é a base para um grande número de métodos bioanalíticos, como imagens de células, pesquisa de câncer e controle de contaminação de alimentos, e uma forma de converter de forma eficiente a energia armazenada nas ligações químicas em luz que pode ser facilmente detectada. Por exemplo, a bioluminescência de algumas cepas bacterianas bioluminescentes é usada para monitorar a toxicidade e contaminação da água. As proteínas fluorescentes são inseridas geneticamente em células e animais para analisar aspectos importantes da dinâmica de algumas doenças.
A pesquisa mais recente da equipe Naumov da NYUAD está pronta para resolver alguns dos mistérios que cercam a quimica da bioluminescênciae aproximar essa pesquisa de aplicações.
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Mais informações:
César Carrasco-López et al. The elusive relationship between structure and colour emission in beetle luciferases, Nature Reviews Chemistry (2020). DOI: 10.1038/s41570-020-00238-1
Os princípios de um coletivo [de pensamento] estranho são, se percebidos, considerados arbitrários e sua possível legitimidade como imploração de petição. A forma estranha de pensamento parece misticismo. As perguntas que ela rejeita serão freqüentemente consideradas as mais importantes, suas explicações como nada provando ou como errando o alvo, seus problemas como trivialidades freqüentemente sem importância ou sem sentido.
LUDWIK FLECK, 1935
Quando os paradigmas entram, como devem, em um debate sobre a escolha do paradigma, seu papel é necessariamente circular. Cada grupo usa seu próprio paradigma para argumentar em defesa desse paradigma.
TS KUHN, 1970
… Um grande abismo foi colocado entre nós, de modo que aqueles que querem passar deste lado para você não podem fazê-lo, nem podem cruzar do seu lado para cá.
LUCAS 16:26
Não tente o impossível
Bom conselho, certo? Trissecar um ângulo usando apenas uma bússola e uma régua não marcada, dividindo por zero, usando seu telefone celular dentro de uma gaiola de Faraday, reanimando uma lata de arenque defumado, encontrando um apartamento com preço razoável em São Francisco… não, não, não, não, não. Nem se preocupe em tentar.
Falando em impossibilidade, você deve ter notado um estranho ciclo que surge espontaneamente em muitos setores do debate do design inteligente. Este estranho loop – que descrevo abaixo, com exemplos detalhados deixados para outra ocasião – é filosoficamente fascinante, mas também, como outros quebra-cabeças intratáveis, uma fonte de perplexidade sem fim. Parece impossível, uma vez que alguém está preso no loop, escapar para o plano onde o progresso racional poderia ser feito.
A metáfora de um “laço estranho” é útil, mas para este quebra-cabeça em particular, prefiro outra imagem: uma parábola. A Figura 1 mostra esta seção cônica familiar, com suas partes etiquetadas. Como você deve se lembrar da geometria do ensino médio, as parábolas se estendem infinitamente ao longo de seu eixo de simetria.
Estenda infinitamente – no que segue, essa será a propriedade definidora a ter em mente. Considere a seguir um diálogo representativo entre um evolucionista (chame-o de Evolver) e um proponente do design inteligente (chame-o de Designer) sobre um aspecto da origem da vida: a formação prebiótica de proteínas.
Designer:A formação de proteínas a partir de aminoácidos não pode ocorrer em um ambiente prebiótico aquoso. A hidrólise vai atacar as ligações peptídicas –
Evolver:Desculpe-me por interromper, mas não é assim que as proteínas se formam.
Designer: No modelo Oparin-Haldane –
Evolver:Você quer dizer o espantalho Oparin-Haldane?
Designer:Mas seu “caldo orgânico fino em uma atmosfera redutora” foi o cenário prebiótico principal durante grande parte do século XX.
Evolver:Olá, estamos em 2020. O campo mudou. Existem proteínas, então usar um modelo de sopa pré-biótica para sua origem, quando já sabemos que não funciona, não pode estar certo. Você precisa abordar a via prebiótica real que ocorreu, não alguma hipótese antiga e errônea.
Designer:Tudo bem, qual é a verdadeira via prebiótica para as proteínas?
Evolver:Estamos trabalhando nisso. O ônibus da turnê está saindo, tente acompanhar.
Ok, então o que está acontecendo aqui?
Poderíamos continuar esse diálogo indefinidamente, com o Designer criticando como impraticável, ou falsa, todas as hipóteses de origens de proteínas prebióticas apresentadas pelo Evolver – e ainda assim o Evolver permanece ali, imperturbável, bocejando e verificando as mensagens em seu iPhone.
E isso porque o Evolver não está comprometido com a suficiência causal, ou verdade, de nenhuma hipótese científica específica sobre a origem das proteínas. Em vez disso, ele está empenhado em encontrar uma resposta de uma determinada forma filosófica – ou seja, que o caminho, seja o que for, ocorreu por meio de um processo físico não direcionado. Esse caminho ainda desconhecido, uma vez que seja descoberto e funcione, marcará o alcance do ponto final que define o sucesso na dimensão da origem das proteínas da pesquisa em abiogênese.
Até então? Continue procurando.
Se dissecarmos o raciocínio do Evolver, portanto, e colocarmos suas peças na bancada do laboratório, elas se parecerão com isto:
Existem proteínas.
Assim, também existe algum caminho natural da química para as proteínas.
A tarefa da ciência é encontrar (2), a fim de explicar (1).
Até que essa tarefa seja concluída, a pesquisa sobre abiogênese continua.
O que essas proposições, (1) a (4), significam para o Designer?
Preso como um rato filosófico
Em suas discussões com o Evolver sobre a origem das proteínas (ou qualquer objeto ou sistema biológico, nesse caso), o Designer ficará preso para sempre dentro da Parábola Naturalística.
O designer está condenado à frustração perpétua, do pior tipo – absoluta impossibilidade. Nada do que ele possa dizer ao Evolver, desde que o Evolver siga consistentemente sua premissa de definição de parábola, fará a mínima diferença. Sísifo entenderia.
Lembra daquela propriedade das parábolas mencionada acima – sua extensão infinita? Suponha que inclinemos a parábola da Figura 1 de lado e a posicionemos ao lado de uma linha do tempo (Figura 2).
Figura 2.
Enquanto a Parábola Naturalística se define hoje por uma regra filosófica, podemos dizer que seu vértice temporal – seu ponto de partida na história da ciência – se situa por volta de 1859, com a publicação da Origem das Espécies de Darwin. Seu fim, entretanto, não está à vista.
Em nenhum lugar à vista – porque nenhum número finito de falsificações científicas (isto é, de hipóteses individuais para eventos como a origem de proteínas) pode refutar a regra filosófica incondicional que define a Parábola Naturalística:
As declarações da ciência devem invocar apenas coisas e processos naturais.
Assim disse a National Academy of Sciences em 1998. Esta é a regra do naturalismo metodológico (MN). MN não é uma proposição científica. É um dito a priori e, como tal, não pode ser refutado ou testado pela observação.
Agora, você pode pensar que o MN é desnecessário, ou mesmo doentio, para a prática da ciência. (Em outra ocasião, espero discutir o fato surpreendente de que muitos cientistas e filósofos ateus discordam veementemente do MN, quando o MN é proclamado como uma regra incondicional.) A Academia Nacional, no entanto, não está ouvindo você, nem os tribunais federais, nem são organizações como a American Federation of Teachers – todos os órgãos oficiais cujas atribuições incluem a definição de “ciências” para a prática acadêmica e políticas públicas, em questões como currículos, decisões de financiamento, emprego e revisão por pares.
Tudo bem: colocamos um problema sério na mesa para discussão. É muito parecido com o diálogo entre o Evolver e o Designer, apesar de seu aparente envolvimento nas mesmas questões científicas – por exemplo, como a vida começou? – não é de todo um diálogo genuíno.
É, antes, um exercício de futilidade. De um lado, o Designer se convenceu de que as evidências vão contra as hipóteses científicas apresentadas pelo Evolver e que, ao se concentrar naquele ponto – a evidência desconfirmada – o Designer está fazendo o que conta. Se ao menos eu pudesse persuadir o Evolver de que suas hipóteses não funcionam, pensa o designer, o Evolver mudará de ideia sobre a origem das proteínas e, por fim, a origem da vida.
Pobre Designer iludido, diz o Evolver a si mesmo – ele é realmente ingênuo. Não há como escapar da parábola. Ele comanda o show.
Prospecto
Neste ponto, poderíamos olhar o que aconteceu durante a Revolução Darwiniana e, a partir daí, criar a Parábola Naturalística. Poderíamos ver alguns exemplos de como a Parábola funciona – frases comuns que dizem: “Ei, você está preso na Parábola: pare de chutar e saia”. Poderíamos fornecer as instruções de fuga da parábola. Tudo no seu devido tempo.
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Notas:
Ludwik Fleck, Genesis and Development of a Scientific Fact (Chicago: University of Chicago Press, 1979 [1935]), p. 109.
Thomas S. Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions (Chicago: University of Chicago Press, 1970), p. 94.
Trisecting an angle with a compass and unmarked straight edge, and dividing by zero, are mathematical impossibilities; cell phone usage in a Faraday cage is a physical impossibility; spontaneous generation (bringing the herring back to life) is a biological impossibility; whereas finding an affordable apartment in San Francisco is not impossible at all, but only a practical nightmare which supplies grade-AAA material for musing about the inequities of life.
Working Group on Teaching Evolution, National Academy of Sciences, Teaching About Evolution and the Nature of Science (Washington, DC: National Academy Press, 1998), p. 42.
If you doubt this, ask yourself what imaginable observation would refute MN.
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Imagem: Detalhe de Sísifo, de Ticiano, no Museu do Prado, Domínio público.
As teias de policarbonato sintetizadas usando manufatura aditiva absorvem até 96% da energia de impacto. Crédito: Shibo Zou
Uma equipe da Polytechnique Montréal demonstrou recentemente que um tecido projetado com manufatura aditiva absorve até 96% da energia de impacto – tudo sem quebrar. A revista Cell Reports Physical Science publicou recentemente um artigo com detalhes sobre essa inovação, que abrecaminho para a criação de revestimentos plásticos inquebráveis.
O conceito e a pesquisa que o acompanha revelados no artigo são relativamente simples. Os professores Frédérick Gosselin e Daniel Therriault, do Departamento de Engenharia Mecânica da Politécnica de Montreal, junto com o estudante de doutorado Shibo Zou, queriam demonstrar como a teia de plástico pode ser incorporada a um painel de vidro para evitar que se estilhace com o impacto.
Parece um conceito bastante simples, mas uma reflexão mais aprofundada revela que não há nada simples nessa teia de plástico.
O design dos pesquisadores foi inspirado em teias de aranha e suas propriedadessurpreendentes. “Uma teia de aranha pode resistir ao impacto de um inseto colidindo com ela, devido à sua capacidade de se deformar por meio de ligações de sacrifício no nível molecular, dentro das próprias proteínas da seda“, explica o professor Gosselin. “Fomos inspirados por esta propriedade em nossa abordagem.”
Biomimética via impressão 3-D
Os pesquisadores usaram policarbonato para alcançar seus resultados; quando aquecido, o policarbonato torna-se viscoso como o mel. Usando uma impressora 3-D, a equipe do professor Gosselin aproveitou essa propriedade para “tecer” uma série de fibras com menos de 2 mm de espessura e, em seguida, repetiu o processo imprimindo uma nova série de fibras perpendicularmente, movendo-se rapidamente, antes que toda a teia se solidificasse.
Acontece que a mágica está no próprio processo – é aí que o produto final adquire suas propriedades principais.
Conforme é lentamente extrudado pela impressora 3-D para formar uma fibra, o plástico derretido cria círculos que formam uma série de voltas. “Depois de endurecidos, esses laços se transformam em elos de sacrifício que dão à fibra força adicional. Quando ocorre o impacto, esses elos de sacrifício absorvem energia e se quebram para manter a integridade geral da fibra – semelhante às proteínas da seda“, explica o pesquisador Gosselin.
Em artigo publicado em 2015, a equipe do professor Gosselin demonstrou os princípios por trás da fabricação dessas fibras. O último artigo da Cell Reports Physical Science revela como essas fibras se comportam quando entrelaçadas para tomar a forma de uma teia.
O autor principal do estudo, Shibo Zou, aproveitou a oportunidade para ilustrar como essa teia poderia se comportar quando localizada dentro de uma tela de proteção. Depois de embutir uma série de teias em placas de resina transparente, ele conduziu testes de impacto. O resultado? Wafers de plástico dispersaram até 96% da energia de impacto sem quebrar. Em vez de rachar, eles se deformam em certos lugares, preservando a integridade geral dos wafers.
De acordo com o professor Gosselin, essa inovaçãoinspiradananatureza pode levar à fabricação de um novo tipo de vidro à prova de balaou à produção de telas protetoras de smartphones de plásticomaisduráveis. “Também poderiaserusadona aeronáutica como revestimento protetor para motores de aeronaves”, observa o professor Gosselin. Nesse ínterim, ele certamente pretende explorar as possibilidades que essa abordagem pode abrir para ele.
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Mais informações:
Shibo Zou et al, Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite, Cell Reports Physical Science (2020). DOI: 10.1016 / j.xcrp.2020.100240
Uma segunda enzima, encontrada na mesma bactéria que vive em uma dieta de garrafas plásticas, foi combinada com PETase para acelerar a quebra do plástico.
A PETase decompõe o polietileno tereftalato (PET) de volta aos seus blocos de construção, criando uma oportunidade de reciclar o plástico infinitamente e reduzir a poluição do plástico e os gases do efeito estufa queimpulsionam as mudanças climáticas.
PET é o termoplástico mais comum, usado para fazer garrafas de bebidas descartáveis, roupas e tapetes e leva centenas de anos para se decompor no ambiente, mas a PETase pode reduzir esse tempo para dias.
A descoberta inicial criou a perspectiva de uma revolução na reciclagem de plástico, criando uma solução potencial de baixo consumo de energia para lidar com o lixo plástico. A equipe desenvolveu a enzima PETase natural em laboratório para ser cerca de 20% mais rápida na decomposição do PET.
Agora, a mesma equipe transatlântica combinou PETase e seu “parceiro”, uma segunda enzima chamada MHETase, para gerar melhorias muito maiores: simplesmente misturar PETase com MHETase dobrou a velocidade de decomposição do PET e projetou uma conexão entre as duas enzimas para criar uma ‘superenzima’, aumentar esta atividade em maistrês vezes.
Crédito: University of Portsmouth
O estudo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
A equipe foi co-liderada pelos cientistas que desenvolveram a PETase, Professor John McGeehan, Diretor do Centro de Inovação Enzimática (CEI) da Universidade de Portsmouth, e Dr. Gregg Beckham, Pesquisador Sênior do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL ) nos E.U.A.
O professor McGeehan disse: “Gregg e eu estávamos conversando sobre como a PETase ataca a superfície dos plásticos e a MHETase retalha ainda mais as coisas, então parecia natural ver se poderíamos usá-las juntas, imitando o que acontece na natureza.“
Nossos primeiros experimentos mostraram que elas realmentefuncionammelhor juntas, então decidimos tentar ligá-las fisicamente, como dois Pac-men unidos por um pedaço de corda.
“Demorou muito esse trabalho em ambos os lados do Atlântico, mas valeu a pena – ficamos encantados em ver que nossa nova enzima quimérica é até três vezes mais rápida do que as enzimas separadas, naturalmente evoluídas, abrindo novos caminhos para mais melhorias. “
Crédito: University of Portsmouth
A descoberta da enzima PETase original anunciava a primeira esperança de que uma solução para o problema global da poluição por plástico pudesse estar ao alcance, embora a PETase sozinha ainda não seja rápida o suficiente para tornar o processo comercialmente viável para lidar com as toneladas de garrafas PET descartadas espalhadas pelo planeta.
Combiná-la com uma segunda enzima, e descobrir que juntas funcionam ainda mais rápido, significa que outro salto foi dado no sentido de encontrar uma solução para os resíduos de plástico.
PETase e a nova combinação MHETase-PETase trabalham digerindo o plástico PET, retornando-o aos seus blocos de construção originais.Isso permite que os plásticos sejam feitos e reutilizadosinfinitamente, reduzindo nossa dependência de recursos fósseis como petróleo e gás.
O professor McGeehan usou a Diamond Light Source, em Oxfordshire, um síncrotron que usa intensos feixes de raios X 10 bilhões de vezes mais brilhantes que o Sol para funcionar como um microscópio poderoso o suficiente para ver átomos individuais. Isso permitiu que a equipe resolvesse a estrutura 3-D da enzima MHETase, dando a eles os projetosmoleculares para começar a desenvolver umsistemaenzimáticomais rápido.
A nova pesquisa combinou abordagens estruturais, computacionais, bioquímicas e bioinformáticas para revelar percepções moleculares sobre sua estrutura e como ela funciona.O estudo foi um grandeesforço de equipe envolvendocientistas em todos os níveis de suas carreiras.
Crédito: University of Portsmouth
Uma das autoras mais jovens, Rosie Graham, Ph.D. em Portsmouth CEI-NREL.A aluna disse: “Minha parte favorita da pesquisa é como as ideias começam, seja no café, no trajeto de trem ou ao passar pelos corredores da universidade pode realmente ser a qualquer momento.
“É realmente uma grande oportunidade de aprender e crescer como parte desta colaboração Reino Unido-EUA e ainda mais para contribuir com outra parte da história sobre o uso de enzimas para lidar com alguns de nossos plásticos mais poluentes.”
O Center for Enzyme Innovation leva enzimas do ambiente natural e, usando biologiasintética, adapta-as para criarnovas enzimas para a indústria.
[Obs: Texto adaptado – O título do original difere do desse blog – Este artigo possui links no original em inglês – Imagens do EnV com os devidos créditos]
As falsas declarações da evidência científica sobre a evolução estão em toda parte. Confira os monitores em seu museu de ciências local, por exemplo, e você não pode ajudar tropeçando sobre eles.
Recebemos uma observação de um amigo nosso que visitou o Denver Museum of Nature & Science. Além de explorar a nova exposição de robótica com seus netos, o defensor do Discovery Institute e entusiasta do design inteligente Jim Campbell decidiu visitar a seção origens da vida. Duas das exposições, sobre a formação de células e o experimento Miller-Urey, eram cientificamente imprecisas.
Ele enviou uma carta ao museu, apontando isso. No visor “Receita para a vida“:
… De acordo com a exibição, a receita apenas requer alguns ingredientes; carbono, enxofre, nitrogênio, hidrogênio, oxigênio e fósforo. Em seguida, siga estes passos:
Misture em um ambiente quente,
Seque ocasionalmente,
Adicione tempo e energia e
Permita a combinação de formas ordenadas e padronizadas.
É isso aí! Basta misturar alguns produtos químicos, adicionar algum tempo e energia, e a vida magicamente aparece. Para deixar claro quão fácil deve ter sido, a sua exposição mostra uma tigela de mistura, como se criar a vida fosse pouco mais do que fazer um pão ou uma tigela de sopa de galinha.
Para uma visão esclarecida sobre o tema das origens da vida, considere o que o Dr. James Tour tem a dizer sobre isso. Dr. Tour é Professor de química, TT & WF Chao, na Universidade de Rice. Ele também ensina Ciência da Computação, Ciência dos Materiais e Nano-Engenharia. Dr. Tour é um dos principais especialistas mundiais em química sintética – A ciência que projeta moléculas complexas. Estas citações foram tiradas de sua palestra em Pascal, na universidade de Waterloo em 2016:
A abiogênese é o processo prebiótico em que a vida, tal como uma célula, resulta de compostos orgânicos simples não vivos: carboidratos, ácidos nucleicos, lipídios e proteínas (polímeros de aminoácidos). Tudo isso é necessário antes que a evolução entre em ação…
( Confusão Coletiva ) Não temos ideia de como as moléculas que compõem os sistemas vivos poderiam ter sido concebidas de tal forma a funcionar em conjunto para cumprir funções biológicas. Nós não temos ideia de como o conjunto básico de moléculas, carboidratos, ácidos nucleicos, lipídios e proteínas, foram feitos e como eles poderiam ter acoplado em sequências apropriadas e, em seguida, transformado em conjuntos ordenados até que houvesse a construção de um sistema biológico complexo, e, eventualmente, para uma primeira célula. Ninguém tem ideia de como isso foi produzido quando usamos nossos mecanismos comumente entendidos de ciência química. Aqueles que dizem que entendem, são geralmente totalmente desinformados em relação à síntese química. Aqueles que dizem que tudo isso está resolvido, não sabem nada: nada sobre a síntese química. Nada!
( Confusão Adicional ) Do ponto de vista químico sintético, nem eu, nem nenhum de meus colegas conseguimos imaginar uma via molecular prebiótica para a construção de um sistema complexo. Não conseguimos nem descobrir as rotas prebióticas para os blocos básicos da vida: Carboidratos, ácidos nucleicos, lipídios e proteínas. Os químicos estão coletivamente perplexos. Daí eu digo que nenhum químico entende a síntese prebiótica dos blocos de construção necessários, muito menos a sua montagem em um sistema complexo.
Pedi a todos os meus colegas, membros da Academia Nacional, ganhadores do Prêmio Nobel. Eu sento com eles em escritórios. Ninguém entende isso. Então, se seus professores disserem: “está tudo resolvido” – seus professores dizem: “está tudo resolvido“, eles não sabem do que estão falando. Não está resolvido. Você não pode simplesmente afirmar isso a outra pessoa. Eles não sabem o que estão falando.
A exposição “Receita para a Vida” é, na melhor das hipóteses, enganosa, e na pior das hipóteses, propaganda descarada. É um embaraço para o museu e deve ser removida.
E na exposição Miller-Urey, o Sr. Campbell comentou:
A segunda exibição ofensiva do museu envolve o experimento Miller-Urey. O experimento foi certamente importante e informativo no momento em que foi conduzido, embora haja agora, questões válidas sobre se a atmosfera simulada no experimento era a representação pretendida da atmosfera primitiva. No entanto, o principal problema com esta exibição diz respeito à sua legenda, “Replicando avidano laboratório?”.
A legenda, apresentada sob a forma de uma pergunta para evitar ser tecnicamente incorreta, é claramente destinada a enganar pessoas motivadas em acreditar que a vida foi criada em um laboratório – nem perto disso! No entanto, a tela parece destinada a induzir as pessoas a acreditarem exatamente o contrário.
Mais uma vez, esta exibição do museu não é digna e a legenda deve ser pelo menos modificada para representar mais honestamente a experiência.
Como o Denver Museum of Nature & Science respondeu? Em uma carta, em setembro:
Você compartilhou suas críticas sobre as origens da vida, na seção Viagem Pré-Histórica. Eu passei suas recomendações para a equipe multidisciplinar – Incluindo curadores, planejadores e educadores – Que supervisionam coletivamente nossa exposição da Viagem Pré-Histórica. Devido aos horários de viagem, eles não devem se reunir por várias semanas, mas vão rever sua opinião e retornarão a você depois dessa discussão.
Campbell acompanhou após receber a carta, e depois novamente, alguns meses mais tarde, mas não recebeu nenhuma resposta. É ótimo ver pessoas usando seu conhecimento científico para apontar falhas no dogma darwiniano. Mas um museu varrendo um cliente, quando se trata de evolução, infelizmente não vem como uma grande surpresa.
Genes codificadores de proteínas constituem apenas uma pequena fração do genoma em organismos superiores, mas os seus produtos de proteínas são cruciais para o funcionamento da célula. Eles são apenas os trabalhadores atrás de cada tarefa na célula, incluindo a digestão dos alimentos, a síntese de produtos químicos, apoio estrutural, conversão de energia, a reprodução celular e fazer novas proteínas. E como uma máquina bem afinada, as proteínas fazem o seu trabalho muito bem. As proteínas são onipresentes em toda a vida e devem datar desde os primeiros estágios da evolução. Portanto, a evolução prevê que as proteínas evoluíram quando a vida apareceu pela primeira vez, ou não muito tempo depois. Mas apesar dos enormes esforços de pesquisa científica, ficou claro que a tal evolução das proteínas é astronomicamente improvável.
Uma das razões do porque a evolução das proteínas é tão difícil é que a maioria das proteínas são designs extremamente específicos em uma outra paisagem robusta de fitness. Isto significa que é difícil para a seleção natural orientar mutações em direção as proteínas necessárias.Na verdade, quatro estudos diferentes, realizados por diferentes grupos e utilizando métodos diferentes, relatam; todos, que cerca de 10 70 de experiências evolutivas seriam necessárias para chegar perto o suficiente de uma proteína funcional antes da seleção natural poder assumir e refinar o design da proteína.Por exemplo, um dos estudos concluiu que 10 63 de tentativas seriam necessárias para uma proteína, relativamente curta.(Reidhaar-Olson) E um resultado semelhante (10 65 de tentativas necessárias) foi obtido comparando as sequências de proteína.(Yockey) Outro estudo descobriu que são necessárias de 1064 a 1077 de tentativas (Axe) e um outro estudo concluiu que 10 70 de tentativas seriam necessárias.(Hayashi) Nesse caso, a proteína foi apenas parte de uma proteína maior, que no caso era intacta, tornando assim mais fácil para a pesquisa. Além disso, estas estimativas são otimistas porque os experimentos eram apenas para procurar proteínas com uma única função; enquanto que as proteínas reais executam várias funções.
Esta estimativa conservadora de10 70 de tentativas necessárias para evoluir uma proteína simples é astronomicamente maior do que o número de tentativas que são viáveis.E explicações de como a evolução poderia alcançar um grande número de buscas, ou de alguma forma evitar esse requisito, exige a pre-existência de proteínas e por isso são explicações circulares.Por exemplo, um papel estimou que a evolução poderia ter feito 10 43 de tais tentativas. Mas o estudo assumiu todo o tempo da história da terra disponível, em vez de uma janela limitada de tempo, que na verdade, a evolução teria tido. Ainda mais importante, o estudo assumiu a pré-existência de uma grande população de bactérias (que assumiu que terra foi completamente coberta com bactérias).E, claro, as bactérias estão cheias de proteínas.Claramente essas bactérias não existiriam antes das primeiras proteínas evoluírem.(Dryden) Mesmo com estes pressupostos convenientes irreais, o resultado foi de vinte e sete ordens de magnitude aquém do exigido.
Tendo em conta estes vários problemas significativos, as chances da evolução ter encontrado proteínas a partir de um início aleatório são, como explicou um evolucionista , “altamente improvável“. (Tautz) Ou como outro evolucionista colocou, “embora a origem dos primeiros genes primordiais poder, em última instância, ser rastreada até alguns precursores do então chamado “mundo de RNA” de bilhões de anos atrás, suas origens permanecem enigmáticas.” (Kaessmann)
(Texto adaptado)
****Obs: A imagem do texto é do Livro Fomos Planejados (Marcos Eberlin)
Referências
Axe, D. 2004. “Estimating the prevalence of protein sequences adopting functional enzyme folds.” J Molecular Biology341:1295-1315.
Dryden, David, Andrew Thomson, John White. 2008. “How much of protein sequence space has been explored by life on Earth?.” J. Royal Society Interface 5:953-956.
Hayashi, Y., T. Aita, H. Toyota, Y. Husimi, I. Urabe, T. Yomo. 2006. “Experimental Rugged Fitness Landscape in Protein Sequence Space.” PLoS ONE 1:e96.
Kaessmann, H. 2010. “Origins, evolution, and phenotypic impact of new genes.” Genome Research 10:1313-26.
Reidhaar-Olson J., R. Sauer. 1990. “Functionally acceptable substitutions in two alpha-helical regions of lambda repressor.” Proteins 7:306-316.
Tautz, Diethard, Tomislav Domazet-Lošo. 2011. “The evolutionary origin of orphan genes.” Nature Reviews Genetics12:692-702. Yockey, Hubert. 1977. “A calculation of the probability of spontaneous biogenesis by information theory.” J Theoretical Biology 67:377–398.
Problema 2: Processos Químicos Não Guiados Não Podem Explicar a Origem do Código Genético
Casey Luskin 5 de janeiro de 2015 12:00 AM
Nota do Editor: Esta é a parte 2 de uma série de 10 baseado no capítulo de Casey Luskinr, “The Top Ten Scientific Problems with Biological and Chemical Evolution,” [Os dez principais problemas científicos com a evolução biológica e química] no volume More than Myth [Mais do que mito] editado por Paul Brown e Robert Stackpole (Chartwell Press, 2014). Quando a série estiver completa, o capítulo inteiro será postado online. A primeira parte pode ser encontrada aqui: Problema 1. Quando a série estiver completa, o capítulo inteiro será postado online.
Vamos presumir que o mar primordial cheio de blocos construtores de vida que existiam na Terra primeva, e de alguma maneira ele formou proteínas e outras moléculas orgânicas complexas. Teóricos creem que o próximo passo na origem da vida é que – completamente ao acaso – mais e mais moléculas complexas formaram até que algumas começaram a se autorreplicar. A partir disso, eles creem que a seleção natural darwinista tomou controle, favorecendo aquelas moléculas que eram mais capazes de fazer cópias de si mesmas. Eventualmente, eles presumem, era inevitável que essas moléculas evoluiriam maquinaria complexa – como aquela usada no código genético atual – para sobreviver e reproduzir.
Os teóricos modernos da origem da vida explicaram como aconteceu esta ponte crucial a partir de elementos químicos para sistemas moleculares autorreplicantes? A hipótese mais proeminente para a origem da primeira vida é chamada de “Mundo RNA.” Em células vivas, a informação genética é transportada pelo DNA, e a maioria das funções celulares é feita pelas proteínas. Contudo, o RNA é capaz de tanto transportar a informação genética e catalisar algumas reações bioquímicas. Como resultado, alguns teóricos postulam que a primeira vida pode ter usado somente RNA para realizar todas essas funções.
Mas, há muitos problemas com esta hipótese.
Em primeiro lugar, as primeiras moléculas de RNA teriam que surgir por processos químicos não biológicos não guiados. Mas sabe-se que o RNA não é capaz de se agregar sem a ajuda de um químico de laboratório proficiente guiando inteligentemente o processo. Robert Shapiro, químico da Universidade New York, criticou os esforços daqueles cientistas que tentaram fazer RNA no laboratório, dizendo: “O defeito está na lógica – que este controle experimental pelos pesquisadores em um laboratório moderno estivesse disponível na Terra primitiva.”15
Em segundo lugar, embora tenha sido demonstrado que o RNA realiza muitos papéis na célula, não existe nenhuma evidência que pudesse realizar todas as atuais funções celular necessárias feitas pelas proteínas.16
Em terceiro lugar, a hipótese do mundo RNA não explica a origem da informação genética.
Os defensores do mundo RNA sugerem que, se a primeira vida autorreplicante fosse baseada em RNA, teria sido necessário uma molécula entre 200 e 300 nucleotídeos de comprimento.17 Contudo, não existem leis químicas ou físicas conhecidas que ditar a ordem daqueles nucleotídeos.18 Para explicar o ordenamento dos nucleotídeos na primeira molécula de RNA autorreplicante, os materialistas precisam confiar no puro acaso. Mas as probabilidades de se especificar, por exemplo, 250 nucleotídeos em uma molécula de RNA, ao acaso é aproximadamente 1 em 10150 – abaixo do limite de probabilidade universal, ou eventos que são remotamente possíveis de ocorrer dentro da história do universo.19 Shapiro coloca o problema dessa maneira:
A aparição súbita de uma grande molécula autocopiável como o RNA era extremamente improvável. … [A probabilidade] é tão extremamente pequena que a sua ocorrência, mesmo que seja uma só vez em qualquer lugar no universo visível, isso contaria como uma peça de boa sorte excepcional.20
Em quarto lugar – e mais fundamentalmente – a hipótese do mundo RNA não explica a origem do código genético. A fim de evoluir na vida baseada em DNA/proteína que existe hoje, o mundo RNA precisaria evoluir a capacidade de converter informação genética em proteínas.
Todavia, esse processo de transcrição e tradução exige uma grande série de proteínas e máquinas moleculares – que em si mesmas são codificadas por informação genética. Isso cria um problema ovo-galinha, onde as enzimas essenciais e máquinas moleculares são necessárias para realizar a própria tarefa que as constrói.
A Galinha e o DVD
Para avaliarmos este problema, consideremos a origem do primeiro DVD e leitor de DVD player. Os DVDs são ricos em informação, mas sem a maquinaria de um leitor de DVD para ler o disco, processar sua informação, e convertê-la em uma figura e som, o disco seria inútil. Mas, se as instruções para construir o primeiro leitor de DVD somente fossem encontradas codificadas em um DVD? Você nunca poderia tocar o DVD para aprender como construir um leitor de DVD. Então, como surgiram o primeiro disco e leitor de DVD? A resposta é óbvia: um processo dirigido para um objetivo – design inteligente – é necessário para produzir tanto o leitor de DVD e o disco ao mesmo tempo.
Em células vivas, as moléculas que transportam informação (ex.: DNA ou RNA) são como o DVD, e a maquinaria celular que lê aquela informação e a converte em proteínas são como o leitor de DVD. Assim como a analogia do DVD, a informação genética nunca pode ser convertida em proteínas se a maquinaria adequada. Ainda assim, nas células, as máquinas necessárias para o processamento da informação genética no RNA ou DNA são codificadas por aquelas mesmas moléculas genéticas – elas realizam e dirigem a própria tarefa que as constrói.
Este sistema não pode existir a menos que, tanto a informação genética e a maquinaria de transcrição/tradução estejam presentes ao mesmo tempo e que ao menos as duas falem a mesma língua. O biólogo Frank Salisbury explicou este problema em um artigo no American Biology Teacher, não muito tempo depois que os funcionamentos do código genético foram descobertos pela primeira vez:
É legal falar sobre as moléculas replicadoras de DNA surgindo em um mar de sopa, mas nas células modernas esta replicação exige a presença de enzimas adequadas. … O elo entre o DNA e a enzima é um elo altamente complexo, envolvendo o RNA e uma enzima para sua síntese em um DNA molde; ribossomos; enzimas para ativar os aminoácidos; e as moléculas transfer-RNA. … Como, na ausência da enzima final, poderia a seleção agir sobre o DNA e todos os mecanismos para replicá-lo? É como se tudo deva acontecer de uma vez: o sistema inteiro deva passar a existir como uma unidade, ou ele é imprestável. Podem até existir meios de como sair desse dilema, mas eu não os vejo no momento.21
Apesar de décadas de trabalho, os teóricos da origem da vida ainda estão perdidos quanto a explicar como que esse sistema surgiu. Em 2007, George Whitesides, químico da Universidade Harvard, ganhou a Medalha Priestley, a mais alta premiação da American Chemical Society [Sociedade Americana de Química]. Durante seu discurso recebendo o prêmio, ele ofereceu esta seguinte análise forte, republicada no respeitável journal, Chemical and Engineering News:
A Origem da Vida. Este problema é um dos maiores problemas na ciência. Ele começa colocando a vida, e nós, no universo. A maioria dos químicos creem, como eu creio, que a vida surgiu espontaneamente de misturas de moléculas na Terra prebiótica. Como? Eu não faço a menor ideia.22
Semelhantemente, o artigo no Cell Biology International acima mencionado concluiu: “Novas abordagens para investigar a origem do código genético são necessárias. As restrições da ciência histórica são tais que a origem da vida talvez nunca seja entendida.”23 Isto é, elas talvez nunca sejam entendidas a menos que os cientistas queiram considerar explicações científicas dirigidas a um objetivo tipo design inteligente.
Mais existe um problema muito mais profundo com as teorias da evolução química, bem como com a evolução biológica. Isso diz respeito não somente na capacidade para processar informação genética através de um código genético, mas a origem daquela informação.
Referências:
[16.] Vide Stephen C. Meyer, Signature in the Cell: DNA and the Evidence for Intelligent Design, p. 304 (New York: HarperOne, 2009).
[17.] Jack W. Szostak, David P. Bartel, e P. Luigi Luisi, “Synthesizing Life,” Nature, 409: 387-390 (18 de janeiro de 2001).
[18.] Michael Polanyi, “Life’s Irreducible Structure,” Science, 160 (3834): 1308-1312 (21 de junho de 1968).
[19.] Vide William A. Dembski, The Design Inference: Eliminating Chance through Small Probabilities (Cambridge University Press, 1998).
[20.] Robert Shapiro, “A Simpler Origin for Life,” Scientific American, p. 46-53 (Junho de 2007).
[21.] Frank B. Salisbury, “Doubts about the Modern Synthetic Theory of Evolution,” American Biology Teacher, 33: 335-338 (Setembro de 1971).
[22.] George M. Whitesides, “Revolutions In Chemistry: Priestley Medalist George M. Whitesides’ Address,” Chemical and Engineering News, 85: 12-17 (26 de março de 2007).
[23.] J.T. Trevors e D.L. Abel, “Chance and necessity do not explain the origin of life,” Cell Biology International, 28: 729-739 (2004).
![Letter_DMNS_Aug2016 (005)[2].jpg](https://jephmeuspensamentos.wordpress.com/wp-content/uploads/2017/01/letter_dmns_aug2016-0052.jpg)
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