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Novo método de detecção de polímero na luta contra a poluição da água
A nova técnica aproveita a ligação que ocorre entre peptídeos e diferentes polímeros para treinar um algoritmo de aprendizado de máquina que pode identificar um grande número de poluentes em uma única solução.
Por Instituto de Tecnologia de Tóquio - 15/11/2021


Figura 1. Ilustração esquemática da identificação de polímeros solúveis em água por meio da discriminação de vários sinais ópticos de um único sensor de peptídeo. Crédito: Instituto de Tecnologia de Tóquio

Um sensor de peptídeo para detectar polímeros solúveis em água em águas residuais, um dos principais contribuintes para a poluição, assim como os microplásticos, foi desenvolvido por cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio. A nova técnica aproveita a ligação que ocorre entre peptídeos e diferentes polímeros para treinar um algoritmo de aprendizado de máquina que pode identificar um grande número de poluentes em uma única solução.

Desde a morte de recifes de coral até a diminuição das populações de peixes, a poluição marinha devido ao plástico é uma preocupação global crescente. Muito da conversa recente sobre a poluição do plástico girou em torno dos microplásticos, pequenos pedaços de plástico que são extremamente difíceis de remover da água. Mas há um interesse crescente em polímeros sintéticos solúveis em água como fonte de poluição marinha, especialmente no que diz respeito aos riscos que representam para o solo e os ambientes aquáticos. Sendo solúveis em água, eles não podem ser recuperados usando técnicas normais de filtração. O desenvolvimento de abordagens alternativas para remover esses poluentes é fundamental. Assim, entender a natureza exata do poluente poluente solúvel em água, bem como quantificar sua quantidade na água residuária, tornou-se um ponto focal para os pesquisadores.

Os polímeros são longas cadeias de produtos químicos compostos por unidades repetitivas muito menores. Embora raramente sejam associadas ao termo, as proteínas também podem ser consideradas polímeros porque são compostas por milhares de subunidades chamadas "aminoácidos". As cadeias curtas desses aminoácidos são chamadas de peptídeos . Os peptídeos podem sofrer interações específicas e não específicas com moléculas, como polímeros, de diferentes maneiras com diferentes níveis de afinidade. Em um novo estudo publicado na ACS Applied Materials & Interfaces, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), exploraram essas interações para desenvolver um novo sensor de peptídeo para a identificação de polímeros solúveis em água em soluções mistas. "Nossa técnica depende de uma análise de padrão de aprendizado de máquina que imita a discriminação de odores e sabores de mamíferos. Assim como nossos narizes e línguas podem distinguir entre uma miríade de odores e sabores usando um número limitado de proteínas receptoras, também pode nosso sensor de peptídeo único ser usado para detectar vários polímeros e outras moléculas ", disse o professor Takeshi Serizawa, que liderou o estudo.

A equipe de pesquisa baseou a técnica em um peptídeo que se liga a um polímero sintético denominado poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM). Eles então introduziram uma 'etiqueta' fluorescente chamada N- (1-anilinonaftil-4) maleimida (ANM) no peptídeo para ajudar a obter sinais para suas diferentes interações. A fluorescência de ANM variou com base na interação do peptídeo, emitindo assim um sinal detectável. Os pesquisadores mediram os sinais do ANM em concentrações de solução conhecidas de diferentes polímeros e usaram-no para treinar um algoritmo de "análise discriminante linear", que é um algoritmo de aprendizado de máquina supervisionado (ver Figura 1). Eles então validaram sua técnica com amostras desconhecidas e descobriram que o sensor e o algoritmo podiam identificar polímeros em soluções mistas. Além disso, após adicionar pequenas quantidades de etanol ou cloreto de sódio para as soluções para modificar ligeiramente as interações químicas, o algoritmo de aprendizado de máquina poderia discriminar polímeros com propriedades semelhantes. Finalmente, eles testaram o novo sensor e algoritmo de peptídeo em águas residuais reais e confirmaram sua capacidade de detectar diferentes polímeros solúveis em água.

"Nossa técnica pode ser usada não apenas para detectar poluentes macromoleculares dissolvidos como polímero na água, mas também para analisar como eles entram no meio ambiente", diz o Dr. Serizawa. A equipe de pesquisa ainda planeja estender o método a outros peptídeos e polímeros.

 

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