Estudo da cinética da tirosinase imobilizada em nanopartícula de sílica com obtenção de revestimento de eumelanina

Melanina é um polímero constituído por uma grande heterogeneidade de monômeros tendo como característica comum a presença de grupos indóis. Por outro lado, a eumelanina produzida pela oxidação enzimática da tirosina é um polímero mais simples constituído principalmente de monômeros 5,6-dihidroxindol (DHI) e de indol-5,6-quinona (IQ). Tirosinase é a enzima chave na produção de melanina, sendo que a sua atividade cinética é medida em função da formação do intermediário dopacroma. Nanopartículas (NPs) de sílica são partículas nanométricas compostas de oxido de silício e são obtidas pelo processo sol-gel desenvolvido por Stöber de hidrólise e condensação de tetraetilortosilicato (TEOS), usando etanol como solvente em meio alcalino. As NPs foram funcionalizadas com 3-Aminopropiltrietoxissilano (ATPES) e depois com glutaraldeído. Este último permitiu a imobilização da tirosinase na superfície da sílica. Caracterizamos as NPs antes e após a reação da enzima, a atividade catalítica da enzima ligada à NP e o mecanismos de formação de melanina na superfície da sílica. As NPs foram caracterizadas por espectrofotometria de absorção e de reflectância, termogravimetria e microscopia eletrônica. A síntese da NP de sílica retornou partículas esféricas com 55nm de diâmetro e a funcionalização da partícula mostrou modificar eficientemente a sua superfície. A imobilização da tirosinase por ligação covalente foi de 99,5% contra 0,5% da adsorção física. A atividade da tirosinase foi caracterizada pela formação de dopacroma. O Km da enzima imobilizada não sofreu alteração em comparação com a tirosinase livre, mas a eficiência catalítica - que considera a eficiência recuperada - foi de apenas 1/3 para a enzima ligada covalentemente, significando que 2/3 das enzimas ligadas não estão ativas. Obtivemos NPs revestidas com melanina a partir de oxidação de tirosina solubilizada em duas preparações: NP com tirosinase ligada covalentemente na superfície e NP funcionalizada com glutaraldeido dispersa em solução de DHI e IQ. O revestimento de melanina foi na forma de um filme fino com espessura ~1,9nm, conferindo perfil de absorção luminosa equivalente ao da própria melanina. Mostramos que o mecanismo de polimerização passa pela oxidação da tirosina pela tirosinase, que gera intermediários oxidados (principalmente DHI e IQ) que vão para solução (mesmo quando a tirosinase está ligada covalentemente na sílica). Estes intermediários ligam-se ao glutaraldeido e a superfície da sílica passa a funcionar como ambiente de polimerização da melanina.

Evolução estrutural e performance catalítica de nanopartículas de AuPd de composição variável

Nanopartículas bimetálicas de AuPd têm mostrado excelente atividade catalítica em reações de oxidação. O entendimento dos efeitos da variação da composição e morfologia das nanopartículas bimetálicas em suas propriedades catalíticas é fundamental para a preparação de catalisadores cada vez mais ativos e seletivos. Neste trabalho foram estudadas nanopartículas bimetálicas de AuPd de composição variável suportadas sobre um suporte constituído por nanopartículas de magnetita revestidas por sílica. O efeito da calcinação e da redução com hidrogênio sobre a morfologia e composição das nanopartículas bimetálicas foi acompanhado pelas técnicas de TEM, XEDS, XAS, XRD e XPS. A correlação entre estrutura, composição e atividade catalítica dos catalisadores preparados foi estudada pelo acompanhamento de reações de oxidação de monóxido de carbono e de oxidação de álcool benzílico. As amostras não calcinadas apresentaram segregação metálica em todas as composições estudadas. Após a etapa de calcinação, maior segregação metálica foi encontrada, com a formação de óxido de paládio na superfície das nanopartículas, exceto na amostra mais rica em ouro. O tratamento das amostras oxidadas com hidrogênio foi capaz de reduzir os metais oxidados na superfície das nanopartículas, mas um enriquecimento em paládio na superfície e maior segregação entre ouro e paládio foram observados. Uma melhora na atividade catalítica na oxidação de monóxido de carbono foi observada juntamente com um aumento na composição de paládio, além disso, observou-se uma maior atividade catalítica em relação às nanopartículas não calcinadas para as amostras calcinadas e reduzidas. Para a oxidação de álcool benzílico um aumento na atividade catalítica de até cinco vezes foi observado após a calcinação dos catalisadores, com maior atividade para a amostra de composição Au1Pd2. A queda na atividade catalítica após a redução dos catalisadores mostrou que a presença de óxido de paládio na superfície das nanopartículas é fundamental para que seja observada uma maior atividade catalítica.

Estudos de proteômica, estruturais e funcionais de proteínas envolvidas na degradação da biomassa lignocelulósica: expansinas microbianas e hidrolases de glicosídeos termofílicas

O Brasil possui uma posição privilegiada quando se refere à produção de etanol. Por questões históricas e geográficas o país é responsável por mais de 30 % da produção mundial de etanol, com uma produção nacional de mais de 28 bilhões de litros em 2014. Para maximizar o rendimento desse processo, está em desenvolvimento a tecnologia associada ao etanol de segunda geração ou etanol lignocelulósico. Os principais desafios desta tecnologia são: melhorar a eficiência de conversão do substrato em produto e a produção em grande escala utilizando substratos de baixo custo. Com o objetivo de melhorar a eficiência do processo de conversão foram estudadas proteínas auxiliares (expansinas) que, em conjunto com celulases, melhoram a despolimerização de biomassa lignocelulósica em açúcares fermentescíveis. Além disso, realizou-se também a caracterização de enzimas ativas de carboidratos (CAZymes) de origem termofílica do organismo Thermogemmatispora sp. T81, devido a capacidade que estas proteínas apresentam de manter a atividade e conformação estrutural em altas temperaturas por um prolongado período de tempo. A partir de análises utilizando bioinformática, os genes que codificam para expansinas de Xanthomonas campestris, Bacillus licheniformis e Trichoderma reesei foram clonados e expressos em E. coli, e seus produtos gênicos (as expansinas) tiveram seus índices de sinergismo (devido atuação conjunta com coquetéis comerciais) e atividade catalítica determinados. Adicionalmente, dispondo de alinhamentos estruturais, foi proposto um mecanismo hidrolítico para elas. Em relação à bactéria Thermogemmatispora sp. T81, foram realizadas análises genômicas e proteômicas, a fim de selecionar enzimas superexpressas em meio celulósico. Seus genes foram clonados heterologamente em E. coli e o produto de expressão caracterizado bioquimicamente (cromatografia, ensaios de atividade e perfil de hidrólise) e estruturalmente (SAXS e dicroísmo circular). Os índices de sinergismo determinados foram de 2,47; 1,96 e 2,44 para as expansinas de Xanthomonas campestris, Bacillus licheniformis e Trichoderma reesei, respectivamente. A partir dos alinhamentos estruturais foi proposto a díade Asp/Glu como sitio catalítico em expansinas. As análises de proteômica possibilitaram a seleção de quatro alvos de clonagem, por apresentarem alto índice de expressão quando a bactéria foi cultivada em meio celulósico. Estas proteínas foram caracterizadas quanto a atividade e apresentaram um perfil comum: temperatura ótima de ação (de 70 a 75 °C), pH ótimo de 5, e hidrolisam preferencialmente substratos hemicelulósicos (xilano). A porcentagem de estruturais secundárias das proteínas em estudo foram confirmadas com predições teóricas ao se utilizar a técnica de dicroísmo circular. Desta maneira, os objetivos iniciais propostos neste projeto foram concluídos com a determinação do grau de sinergismo das proteínas expansinas em estudo e a proposição de um mecanismo de hidrólise para as mesmas, considerando que tais proteínas por mais de 20 anos tiveram sua atividade definida exclusivamente como acessória. Além disso, este estudo contribui com a identificação e seleção de genes para CAZymes termofilícas com aplicação biotecnológica devido às propriedades termoestáveis apresentadas.

Síntese, caracterização e atividade catalítica de compostos organolantanídeos contendo os ânions metanossulfonato e pentametilciclopentadienil e o ligante pirazinamida

O estudo de compostos organolantanídeos consiste em um dos campos de maior interesse dentro da química organometálica, principalmente devido ao uso potencial como precursores ou catalisadores em reações de hidrogenação, hidroformilação, carbonilação, oxidação e principalmente polimerização de olefinas. Este interesse tem levado diversos grupos de pesquisa a sintetizarem compostos utilizando o ânion ciclopentadienil e seus derivados ligados a íons lantanídeos (III). O presente trabalho tem como objetivo contribuir para a aplicação desses compostos organolantanídeos como catalisadores em reações de polimerização de olefinas. O trabalho envolveu uma etapa de síntese e caracterização de duas classes de compostos organolantanídeos Ln(MS)2Cp*(Ln = Tb e Yb), e Ln(MS)2Cp*PzA (Ln = Sm, Tb e Yb) e uma etapa de estudo da atividade catalítica desses compostos frente a reações de polimerização de etileno, propileno e estireno, utilizando metilaluminoxano como co-catalisador e a caracterização dos polímeros formados. Os compostos sintetizados apresentaram atividade catalítica apenas para polimerização de estireno. O polímero formado, independente do composto organolantanídeo utilizado, foi caracterizado como poliestireno principalmente atático, indicando que a polimerização não é estereoespecífica e apresentou massa molar da ordem de 104 g/mol.

Espécies polinucleares de cobre e ferro com catalisadores de oxidação e modelos de sítios ativos

Diferentes complexos de cobre(II), contendo ligantes do tipo base de Schiff e um grupamento imidazólico, com interesse bioinorgânico, catalítico e como novos materiais, foram preparados na forma de sais perclorato, nitrato ou cloreto e caracterizados através de diferentes técnicas espectroscópicas (UV/Vis, IR, EPR, Raman) e espectrometria de massa Tandem (ESI-MS/MS), além de análise elementar, condutividade molar e medidas de propriedades magnéticas. Alguns destes compostos, obtidos como cristais adequados, tiveram suas estruturas determinadas por cristalografia de raios-X. As espécies di- e polinucleares contendo pontes cloreto, mostraram desdobramentos das hiperfinas nos espectros de EPR, relacionados à presença do equilíbrio com a respectiva espécie mononuclear, devido à labilidade dos íons cloretos, dependendo do contra-íon e do tipo de solvente utilizado. Adicionalmente, em solução alcalina, estes compostos estão em equilíbrio com as correspondentes espécies polinucleares, onde os centros de cobre estão ligados através de um ligante imidazolato. Em meio alcalino, estes compostos polinucleares contendo ponte imidazolato foram também isolados e caracterizados por diferentes técnicas espectroscópicas e magnéticas. Através da variação estrutural e também do ligante-ponte foi possível modular o fenômeno da interação magnética entre os íons de cobre em estruturas correlatas di- e polinucleares. Os respectivos parâmetros magnéticos foram obtidos com ajuste das curvas experimentais de XM vs T, correlacionando-se muito bem com a geometria, ângulos e distâncias de ligação entre os íons, quando comparado com outros complexos similares descritos na literatura. Posteriormente, estudaram-se os fatores relacionados com a reatividade de todas essas espécies como catalisadores na oxidação de substratos de interesse (fenóis e aminas), através da variação do tamanho da cavidade nas estruturas cíclicas ou de variações no ligante coordenado ao redor do íon metálico. Vários deles se mostraram bons miméticos de tirosinases e catecol oxidases. Um novo complexo-modelo da citocromo c oxidase (CcO), utilizando a protoporfirina IX condensada ao quelato N,N,-bis[2-(1,2-metilbenzimidazolil)etil]amino e ao resíduo de glicil-L-histidina, foi sintetizado e caracterizado através de diferentes técnicas espectroscópicas, especialmente EPR. A adição de H2O2 ao sistema completamente oxidado, FeIII/CuII, a -55°C, ou o borbulhamento de oxigênio molecular a uma solução do complexo na sua forma reduzida, FeII/CuI, saturada de CO, resultou na formação de adutos com O2, de baixo spin, estáveis a baixas temperaturas.

Washcoated Pd/Al2O3 monoliths for the liquid phase hydrodechlorination of dioxins

The catalytic activity and durability of 2 wt.% Pd/Al2O3 in powder and washcoated on cordierite monoliths were examined for the liquid phase hydrodechlorination (LPHDC) of polychlorinated dibenzo-p-dioxins/polychlorinated dibenzofurans (PCDD/Fs), also known as dioxins. NaOH was employed as a neutralizing agent, and 2-propanol was used as a hydrogen donor and a solvent. Fresh and spent powder and monolith samples were characterized by elemental analysis, surface area, hydrogen chemisorption, scanning electron microscopy/energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDX), and transmission electron microscopy/energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM/EDX). Three reactor configurations were compared including the slurry and monolith batch reactors as well as the bubble loop column resulting in 100, 70, and 72% sample toxicity reduction, respectively, after 5 h of reaction. However, the slurry and monolith batch reactors lead to catalyst sample loss via a filtration process (slurry) and washcoat erosion (monolith batch), as well as rapid deactivation of the powder catalyst samples. The monolith employed in the bubble loop column remained stable and active after four reaction runs. Three preemptive regeneration methods were evaluated on spent monolith catalyst including 2-propanol washing, oxidation/reduction, and reduction. All three procedures reactivated the spent catalyst samples, but the combustion methods proved to be more efficient at eliminating the more stable poisons.

Specific and reversible immobilization of proteins tagged to the affinity polypeptide C-LytA on functionalized graphite electrodes

We have developed a general method for the specific and reversible immobilization of proteins fused to the choline-binding module C-LytA on functionalized graphite electrodes. Graphite electrode surfaces were modified by diazonium chemistry to introduce carboxylic groups that were subsequently used to anchor mixed self-assembled monolayers consisting of N,N-diethylethylenediamine groups, acting as choline analogs, and ethanolamine groups as spacers. The ability of the prepared electrodes to specifically bind C-LytA-tagged recombinant proteins was tested with a C-LytA-β-galactosidase fusion protein. The binding, activity and stability of the immobilized protein was evaluated by electrochemically monitoring the formation of an electroactive product in the enzymatic hydrolysis of the synthetic substrate 4-aminophenyl β-D-galactopyranoside. The hybrid protein was immobilized in an specific and reversible way, while retaining the catalytic activity. Moreover, these functionalized electrodes were shown to be highly stable and reusable. The method developed here can be envisaged as a general, immobilization procedure on the protein biosensor field.

Desilication of TS-1 zeolite for the oxidation of bulky molecules

A series of modified TS-1 samples have been produced by desilication of the original TS-1 (4 wt.% Ti) using a chemical treatment with NaOH. Desilicated TS-1 zeolites exhibit a large BET surface area together with a well-developed mesoporosity. The hierarchical catalysts from desilication of TS-1 zeolite show a good catalytic activity for the oxidation of small molecules and a significantly higher activity for the oxidation of bulky molecules.

Evaluation of hectorites, synthesized in different conditions, as soot combustion catalysts after impregnation with copper

Two microporous hectorites were prepared by conventional and microwave heating, and a delaminated mesoporous hectorite by an ultrasound-assisted synthesis. These three hectorites were impregnated with copper. The characterization techniques used were XRD, N2 adsorption, TEM and H2 reduction after selective surface copper oxidation by N2O (to determine copper dispersion). The catalytic activity for soot combustion of the copper-free and the copper-containing hectorites was tested under a gas mixture of 500 ppm NOx/5% O2/N2 (and 5% O2/N2 in some cases), evaluating their stability through three consecutive soot combustion experiments. The delaminated hectorite showed the highest surface area (353 m2/g) allowing the highest dispersion of copper. This copper-containing catalyst was the most active for soot combustion among those prepared and tested in this study. We have also concluded that the Cu/hectorite-catalyzed soot combustion mechanism is based on the activation of the O2 molecule and not on the NO2-assisted soot combustion.

Biodiesel production by acid catalysis with heteropolyacids supported on activated carbon fibers

Different catalysts, based on heteropolyacids supported on activated carbon fibers, have been prepared for palmitic acid esterification reaction. The influence of the catalyst (heteropolyacid) and the support on the catalytic activity have been analyzed. The results prove that an adequate combination of both is required to achieve the most suitable catalysts. Regarding to the heteropolyacid, phosphomolybdic acid seems to be the most suitable appropriate taking into account its lowest leaching. About the support, it must show an optimum microporosity, which must be wide enough to allow the entrance and exit of the reagents and products but not too wide in order to avoid the leaching of the catalyst. In addition, both decreasing of the catalytic activity and its recovery over several cycles have been analyzed.

Evidences of the Cerium Oxide-Catalysed DPF Regeneration in a Real Diesel Engine Exhaust

The active phase Ce0.5Pr0.5O2 has been loaded on commercial substrates (SiC DPF and cordierite honeycomb monolith) to perform DPF regeneration experiments in the exhaust of a diesel engine. Also, a powder sample has been prepared to carry out soot combustion experiments at laboratory. Experiments performed in the real diesel exhaust demonstrated the catalytic activity of the Ce–Pr mixed oxide for the combustion of soot, lowering the DPF regeneration temperature with regard to a counterpart catalyst-free DPF. The temperature for active regeneration of the Ce0.5Pr0.5O2-containing DPF when the soot content is low is in the range of 500–550 °C. When the Ce0.5Pr0.5O2-containing DPF is saturated with a high amount of soot, pressure drop and soot load at the filter reach equilibrium at around 360 °C under steady state engine operation due to passive regeneration. The uncoated DPF reached this equilibrium at around 440 °C. Comparing results at real exhaust with those at laboratory allow concluding that the Ce0.5Pr0.5O2-catalysed soot combustion in the real exhaust is not based on the NO2-assisted mechanism but is most likely occurring by the active oxygen-based mechanism.

Influence of peroxometallic intermediaries present on polyoxometalates nanoparticles surface on the adipic acid synthesis

The cyclohexene oxidation by hydrogen peroxide catalysed by polyoxometalates (POM) has been shown as an adequate green route for the adipic acid synthesis. In this study, it has been demonstrated that POM's salts are effective catalysts for this reaction and how peroxopolyoxometalates intermediaries are the truly responsible species of the POM's salts catalytic activity and solubility. However, the latter can be reduced by calcining the catalyst previously. Polyoxomolybdates salts generally present a higher activity than polyoxotungstenates salts. Finally, it must be remarked the positive effect exerted by the acetic acid stabilising the peroxide of hydrogen against its decomposition.

Biodiesel wastes: An abundant and promising source for the preparation of acidic catalysts for utilization in etherification reaction

Environmentally friendly sulfonated black carbon (BC) catalysts were prepared from biodiesel waste, glycerol. These black carbons (BCs) contain a high amount of acidic groups, mainly sulfonated and oxygenated groups. Furthermore, these catalysts show a high catalytic activity in the glycerol etherification reaction with tert-butyl alcohol, the activity being larger for the sample prepared with a higher glycerol:sulfuric acid ratio (1:3). The yield for mono-tert-butyl glycerol (MTBG), di-tert-butyl glycerol (DTBG) and tri-tert-butyl-glycerol (TTBG) were very similar to those obtained using a commercial resin, Amberlyst-15. Furthermore, experimental results show that the carbon with the lowest acidic surface group content, BC prepared in minor glycerol:sulfuric acid ratio (10:1), can be chemically treated after carbonization to achieve an improved catalytic activity. The activity of all BCs is high and very similar, about 50% and 20% for the MTBG and DTBG + TTBG, respectively.

Investigation of Pd nanoparticles supported on zeolites for hydrogen production from formic acid dehydrogenation

Catalysts based on palladium nanoparticles supported on different zeolites (BETA, ZSM-5 and Y) were prepared and their catalytic performance in formic acid dehydrogenation was studied. The effects of the zeolite structure and porous texture on the catalytic activity were investigated by comparing the behavior of these samples. The results revealed that the samples based on BETA zeolite are promising catalysts for this application.

Preferential oxidation of CO in excess of H2 on Pt/CeO2–Nb2O5 catalysts

A series of CeO2–Nb2O5 mixed oxides with different Nb content, as well as the pure oxides, have been synthesized by co-precipitation with excess urea. These materials have been used as supports for platinum catalysts, with [Pt(NH3)4](NO3)2 as precursor. Both supports and catalysts have been characterized by several techniques: N2 physisorption at 77 K, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, UV–vis spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, temperature-programmed reduction and temperature-programmed desorption (CO and H2), and their catalytic behaviour has been determined in the PROX reaction, both with an ideal gas mixture (CO, O2 and H2) and in simulated reformate gas containing CO2 and H2O. Raman spectroscopy analysis has shown the likely substitution of some Ce4+ cations by Nb5+ to some extent in supports with low niobium contents. Moreover, the presence of Nb in the supports hinders their ability to adsorb CO and to oxidize it to CO2. However, an improvement of the catalytic activity for CO oxidation is obtained by adding Nb to the support, although the Pt/Nb2O5 catalyst shows very low activity. The best results are found with the Pt/0.7CeO2–0.3Nb2O5 catalyst, which shows a high CO conversion (85%) and a high yield (around 0.6) after a reduction treatment at 523 K. The effect of the presence of CO2 and H2O in the feed has also been determined.