Estudos computacionais da degradação enzimática de poliuretanos

Abstract

A crescente preocupação ambiental associada ao acúmulo de resíduos poliméricos impulsionou a busca por estratégias eficientes de degradação de poliuretanos (PU). Nesse contexto, este estudo investigou, em nível molecular, o mecanismo de hidrólise do polímero PU-MDI (poliuretano difenilmetano diisocianato), tanto com e sem biocatalisadores, utilizando uma abordagem integrada de docking molecular, dinâmica molecular (MD, do inglês, molecular dynamics) e simulações híbridas de mecânica quântica e mecânica molecular (QM/MM, do inglês, quantum mechanics/molecular mechanics). Inicialmente, o docking molecular foi empregado para determinar a orientação mais favorável do substrato PU-MDI no sítio ativo das enzimas PueA (poliuretano esterase A), PueB (poliuretano esterase B), pulA (poliuretano lipase A) e lipase. Em seguida, as simulações de MD foram realizadas para averiguar a estabilidade dos complexos enzima-substrato (ES). Por fim, a descrição detalhada dos mecanismos de hidrólise foi obtida via simulações QM/MM, que permitiram a caracterização dos estados de transição, intermediários tetraédricos e produtos de reação, bem como o cálculo das barreiras de energia livre envolvidas nas etapas de acilação e desacilação. Os resultados sugeriram que todas as enzimas estudadas são capazes de catalisar a hidrólise do PU-MDI em duas fases principais: a acilação e a desacilação, liberando, respectivamente, um álcool e um ácido carboxílico como produtos. As barreiras energéticas variaram entre as enzimas, de, aproximadamente, 11 a 17 kcal mol-1 para a acilação e de 6 a 9 kcal mol-1 para a desacilação. Em contraste, o perfil de energia livre para a hidrólise do PU-MDI em meio aquoso, sem a presença de enzimas, apresentou uma barreira energética de 25,83 kcal mol-1, evidenciando sua resistência a degradação no meio ambiente. Este estudo fornece insights dos mecanismos catalíticos envolvidos na biodegradação de PU-MDI e destaca o potencial de aplicação biotecnológica dessas hidrolases no desenvolvimento de estratégias mais sustentáveis para o tratamento de resíduos poliméricos.

The growing environmental concern associated with the accumulation of polymeric residues has driven the search for efficient strategies for the degradation of polyurethanes (PU). In this context, this study investigated, at the molecular level, the hydrolysis mechanism of the polymer PU-MDI (polyurethane diphenylmethane diisocyanate), both with and without biocatalysts, using an integrated approach of molecular docking, molecular dynamics (MD) and hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) simulations. Initially, molecular docking was used to determine the most favorable orientation of the PU-MDI substrate in the active site of the enzymes PueA (polyurethane esterase A), PueB (polyurethane esterase B), pulA (polyurethane lipase A) and lipase. Then, MD simulations were performed to assess the stability of the enzyme-substrate (ES) complexes. Finally, a detailed description of the hydrolysis mechanisms was obtained via QM/MM simulations, which allowed the characterization of the transition states, tetrahedral intermediates and reaction products, as well as the calculation of the free energy barriers involved in the acylation and deacylation steps. The results suggested that all the enzymes studied can catalyze the hydrolysis of PU-MDI in two main phases: acylation and deacylation, releasing, respectively, an alcohol and a carboxylic acid as products. The energy barriers varied among the enzymes, from approximately 11 to 17 kcal mol-1 for acylation and from 6 to 9 kcal mol-1 for deacylation. In contrast, the free energy profile for the hydrolysis of PU-MDI in aqueous medium, without the presence of enzymes, presented an energy barrier of 25.83 kcal mol-1, evidencing its resistance to degradation in the environment. This study provides insights into the catalytic mechanisms involved in the biodegradation of PU-MDI and highlights the potential biotechnological application of these hydrolases in the development of more sustainable strategies for the treatment of polymeric waste.