Microscopia avançada, análise de dados e simulações de dinâmica molecular revelam detalhes inéditos da adesão de lignina à celulose

Trabalho de pesquisa do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) foi capa do periódico Nanoscale

Pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), organização supervisionada pelo Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI), acabam de publicar um artigo de capa no periódico Nanoscale que descreve um experimento inédito que aprofunda o conhecimento sobre a interação entre celulose e lignina. A adesão entre essas duas biomacromoléculas dificulta a desconstrução da biomassa em processos industriais que visam refino e obtenção de bioprodutos.

“A interação entre a lignina e a celulose confere à biomassa o que chamamos de recalcitrância, o que torna as fibras bastante coesas. Os processos usados para fracionar a biomassa e separar os biopolímeros de interesse demandam altas temperaturas, pressão, quantidade bem elevada de produtos químicos”, explica a pesquisadora Juliana Bernardes.

Em muitos processos, mesmo após etapas de separação desses materiais, a lignina pode voltar a se depositar sobre superfícies de celulose, dificultando a ação de enzimas usadas para quebrar a celulose em açúcares e nanoestruturas.

“Entender profundamente sobre como essa interação ocorre, considerando a estrutura cristalina da celulose, é bastante importante para o desenvolvimento de processos mais eficientes de transformação da biomassa em biocombustíveis, bioquímicos e biomateriais”, acrescenta o pesquisador Carlos Driemeier.

Experimento inédito

Os cientistas combinaram pela primeira vez recursos de microscopia avançada, ferramentas de Aprendizado de Máquina e simulações de dinâmica molecular para diferenciar facetas cristalinas de celulose e medir a relação de forças que atuam na interação com a lignina.

Para isso, usaram inicialmente um Microscópio de Força Atômica (AFM), instrumento capaz de mapear a superfície de materiais com alta resolução, medir variações em escala nanométrica e obter dados precisos sobre a relação de forças entre eles.

A ponta da sonda do microscópio, que tem 10 nanômetros de diâmetro, foi modificada para receber uma camada de lignina, uma técnica desenvolvida no CNPEM.

Como as áreas de contato nas facetas da superfície da celulose têm medidas nanométricas e algumas vezes dimensão molecular, a sonda consegue diferenciar as variadas faces da celulose, fazer as medidas de indentação e interação.

“Foram feitas imagens de 1024 x 1024 pixels. Cada pixel ali era uma curva força-distância. Então depois de alguns experimentos foram obtidos milhares de dados de força curva-distância, que são parâmetros fundamentais para compreender a adesão ou a falta de afinidade entre a celulose e a lignina”, revela Juliana Bernardes.

Algoritmos de Aprendizado de Máquina foram empregados para agrupar as curvas medidas em tipos de interação entre celulose e lignina. Essa tipificação foi confirmada por simulações computacionais executadas com recursos do supercomputador Santos Dumont do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC).

Resultados

Os experimentos revelaram detalhes inéditos das propriedades de interação das duas biomacromoléculas e demonstraram uma grande variedade de condições capazes de afetar a adesão entre a lignina e a celulose.

A presença de água como solvente se revelou um relevante mediador das condições de coesão, porque as propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas também variam entre as diversas facetas da celulose expostas à interação com a lignina.

Próximos passos

A abordagem estabelecida nesta pesquisa amplia o potencial da ciência de dados e dos algoritmos de aprendizado de máquina empregados em conjunto com AFM, podendo ser aplicada a outros sistemas onde as heterogeneidades na superfície em nanoescala desempenham um papel importante nas interações adesivas.

“Todo esse entendimento mais fundamental, com identificação das forças que atuam em diferentes condições, é muito importante porque nos ajuda a propor novos métodos que podem contribuir para desestabilizar essas interações e obter uma separação mais eficiente”, concluem os pesquisadores.

Apoios

O trabalho de pesquisa recebeu importante apoio da Fapesp, Faperj e Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC).

Sobre o CNPEM

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