Materiais baseados em grafeno vem sendo explorados para aplicações tecnológicas inovadoras em dispositivos eletrônicos, plásticos de alta performance e biotecnologia.
Uma descoberta de pesquisadores do CNPEM (Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais) revela que a interação de nanomateriais com proteínas e biomoléculas provenientes de bactérias pode alterar o comportamento e a toxicidade de nanomateriais, como o óxido de grafeno.
O estudo, conduzido pela Francine Côa durante sua pesquisa de doutorado, sob orientação do pesquisador Diego Martinez, do CNPEM, investigou como biomoléculas da bactéria E. coli interagem com o óxido de grafeno e modificam seus efeitos toxicológicos no organismo modelo C. elegans (nematóide isolado de solos).
O óxido de grafeno é um material avançado que vem sendo amplamente explorado para aplicações tecnológicas e industriais; como baterias de carregamento rápido e dissipadores de calor para smartphones, no reforço de ligas metálicas, catalisadores, embalagens especiais e plásticos para as indústrias automotiva e aeroespacial, no desenvolvimento de sensores e biossensores e até em equipamentos esportivos, purificação de água e novos medicamentos. A crescente e diversificada gama de aplicações do óxido de grafeno reforça a importância de compreender seu comportamento e seus efeitos biológicos e ambientais de maneira proativa e responsável.
A escolha da E. coli está diretamente relacionada ao modelo experimental em estudo: essa bactéria é utilizada como alimento do C. elegans. Durante a digestão, as células bacterianas são rompidas e liberam biomoléculas que podem interagir com nanomateriais presentes no organismo. A pesquisa investigou se essas biomoléculas seriam capazes de formar uma camada sobre o óxido de grafeno,a chamada “ecocorona”, e, com isso, modificar sua toxicidade e biodistribuição.
Os resultados mostraram que essa interação pode produzir efeitos distintos. Quando recoberto pela ecocorona de E. coli, o óxido de grafeno apresentou menor toxicidade quando avaliado isoladamente. No entanto, quando o material revestido (coronado) foi combinado com íons metálicos (prata), o efeito foi oposto, com aumento da toxicidade e do acúmulo do metal nos organismos.
“A E. coli é utilizada como alimento do C. elegans, então procuramos entender se as biomoléculas provenientes da bactéria durante a digestão poderiam interagir com o óxido de grafeno e modificar sua toxicidade. Observamos que a formação da ecocorona reduz os efeitos tóxicos do material isolado, mas, na presença de metal, o efeito foi oposto, com aumento significativo da toxicidade e do acúmulo do metal”, explica Francine Côa, e que atualmente atua na área de segurança de produtos na indústria farmacêutica.
Para os pesquisadores, esses resultados reforçam que avaliar a segurança de um nanomaterial apenas em sua forma “pura” pode não ser suficiente para determinar seus impactos e riscos. Em sistemas biológicos e ambientais esses nanomateriais entram em contato com bactérias, proteínas, sais, metais e outras substâncias que podem alterar significativamente seu comportamento e seus efeitos. Para os pesquisadores, entender essas interações “nanobio” é fundamental para acelerar a inovação e desenvolver produtos cada vez mais seguros e sustentáveis.
“Nossos resultados reforçam a importância de desenvolver estudos laboratoriais integrados com cenários de exposição mais realísticos. Nanomateriais não permanecem inalterados após serem liberados no ambiente: eles sofrem transformações e interagem com diferentes componentes químicos e biológicos e essas interações precisam ser consideradas durante a avaliação de seus benefícios e riscos”, explica Diego Martinez, pesquisador do CNPEM e orientador da pesquisa.
Os resultados da pesquisa do CNPEM foram publicados em setembro na revista Nanoscale Advances. Para entender o fenômeno, os pesquisadores produziram uma ecocorona a partir de biomoléculas extraídas de E. coli e observaram como elas modificam as características do óxido de grafeno. Análises físico-químicas mostraram alterações na topografia, na rugosidade, na espessura, na composição química e na estabilidade do material em suspensão. A análise proteômica identificou mais de mil proteínas diferentes aderidas na superfície do material, evidenciando que a formação da ecocorona é altamente complexa e dinâmica.
Efeito “Cavalo de Troia”
A descoberta mais surpreendente aconteceu quando os pesquisadores combinaram o óxido de grafeno com íons de prata. As análises mostraram que a formação da ecocorona aumentou significativamente a capacidade do óxido de grafeno de se associar à prata. Esse resultado, somado ao maior acúmulo do metal observado nos organismos, ajuda a explicar o efeito “Cavalo de Troia” identificado no estudo.
Os efeitos foram observados em diferentes partes do C.elegans. A combinação provocou alterações intestinais, neuronais e reprodutivas. Também foi o tratamento que provocou mais destruição de células reprodutivas do nematódeo, mesmo em concentrações mais baixas de prata.
Além dos efeitos observados, o estudo traz implicações para a própria avaliação de segurança de nanomateriais. Como a E. coli é rotineiramente utilizada como alimento em ensaios com C. elegans, desconsiderar sua interação com os materiais testados pode influenciar a interpretação dos resultados. Os achados reforçam a importância de considerar essas interações no desenho e na interpretação de estudos de nanotoxicidade, contribuindo para avaliações mais robustas durante a elaboração de protocolos, normas técnicas e aspectos regulatórios.
Este estudo foi conduzido pelo CNPEM em colaboração com o Centro de Energia Nuclear na Agricultura da Universidade de São Paulo e o grupo de Nanociência Ambiental da Universidade de Birmingham no Reino Unido e recebeu apoio financeiro da CAPES, CNPq e FAPESP.
Sobre o CNPEM
O Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) abriga um ambiente científico de fronteira, multiusuário e multidisciplinar, com ações em diferentes frentes do Sistema Nacional de CT&I. Organização Social supervisionada pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), com interveniência do Ministério da Educação e do Ministério da Saúde, o CNPEM é impulsionado por pesquisas que impactam as áreas de saúde, energia, materiais renováveis e sustentabilidade. Responsável pelo Sirius, maior equipamento científico já construído no País. O CNPEM hoje desenvolve o projeto Orion, complexo laboratorial para pesquisas avançadas em patógenos. Equipes altamente especializadas em ciência e engenharia, infraestruturas sofisticadas abertas à comunidade científica, linhas estratégicas de investigação, projetos inovadores com o setor produtivo e formação de pesquisadores e estudantes compõem os pilares da atuação deste centro único no País, capaz de atuar como ponte entre conhecimento e inovação. As atividades de pesquisa e desenvolvimento do CNPEM são realizadas por seus Laboratórios Nacionais de: Luz Síncrotron (LNLS), Biociências (LNBio), Nanotecnologia (LNNano) e Biorrenováveis (LNBR), além de sua unidade de Tecnologia (DAT) e da Ilum Escola de Ciência, curso de bacharelado em Ciência e Tecnologia.