Luis Gustavo Dias.

Grande parte da energia consumida no mundo vem da queima de combustíveis fósseis à base de petróleo (óleo diesel, gasolina, querosene para aviação e gás liquefeito). Além dos combustíveis utilizados em nossa sociedade moderna, o petróleo também é matéria-prima de uma extensa cadeia de produtos, por exemplo, parafina, produtos de asfalto, nafta petroquímica, solventes, plásticos, etc. Apesar da grande importância dos combustíveis fósseis, existem vários motivos para a pesquisa de fontes de energia alternativas e renováveis, que inclui problemas ambientais e o fato de que o petróleo vai se esgotar no futuro. Por conseguinte, existe um grande interesse no uso de recursos de energia renovável, como a energia hidrelétrica, a biomassa, o mar, o vento interior, a energia fotovoltaica, o hidrogênio, bem como o desenvolvimento de novos veículos de energia a partir da conversão de metano e/ou do CO2 capturado de Ar combinado com H2 da água. Devido à grande demanda, acreditamos que essas tecnologias serão combinadas no futuro para produzir um planeta sustentável. A Divisão de Computação de Ciência e Química de Materiais (CMSC) se concentrará apenas em algumas dessas vias. Acreditamos firmemente que, entre todas essas fontes de energia, devem seguir-se quatro caminhos, a saber: (i) conversão de fótons para elétrons que utilizando dispositivos fotovoltaicos, como a energia fotovoltaica deve contribuir com cerca de 30 por cento (relatório Shell) para a nossa matriz de energia no futuro, (ii) armazenamento de energia com baterias e supercapacitores para suportar o crescimento da energia eólica, (iii) captura de CO2 e conversão para produtos de valor agregado - metanol, gasolina -range hidrocarbonetos, que podem fornecer um papel crucial para o nosso futuro como um problema ambiental pode ser parte da solução, (iv) conversão de metano em novos combustíveis de alta densidade - metanol, etc., que deverá desempenhar um papel importante devido à grande oferta de gás natural no mundo todo. Para abordar esses problemas, propomos empregar o estado da arte nas ferramentas de Ciência Computacional de Materiais para oferecer soluções de ponta. Para a organização prática, propomos nove projetos, que incluem dois projetos de conversão de fótons para elétrons à utilizando fotovoltaica (em particular perovskites) e fotoquímica, dois projetos para estudar a conversão de metano e CO2 capturados de ar para produtos de alto valor, como altos portadores de energia de densidade (metanol) empregando materiais porosos combinados com partículas de tamanho finito de metal de transição. Para o armazenamento de energia, exploramos baterias e supercapacitores, em particular, estamos interessados em tecnologias além de Li e empregamos condutores iônicos baratos. Além dos seis projetos, propusemos três projetos transversais com o potencial de contribuir para os seis projetos anteriores, bem como para oferecer sua contribuição individual, que inclui: engenharia de nanocatalisadores, dinâmica de fluidos para abordar O fluxo de líquidos iônicos e as técnicas de aprendizado da máquina, que serão aplicadas para explorar dados teóricos e experimentais das três divisões restantes. Portanto, nossa Divisão combinada com as três Divisões Centrais adicionais têm um grande potencial para produzir importantes contribuições para a geração de Novas Energias.

Modelagem molecular é uma importante ferramenta para avaliar processos e mecanismos em nível nanoscópico, auxiliando a compreensão dos fenômenos envolvidos e interpretação de dados experimentais. Procura-se aumentar a potencialidade desta técnica via descrição melhorada do comportamento molecular, ou seja, há um constante interesse no desenvolvimento de campos de força que reproduzam detalhadamente o que ocorre experimentalmente. Por outro lado, tem-se aliado a este interesse a busca por modelos simplificados (coarse-grained) que contenham um número menor sítios de interação ou descritos por potenciais efetivos, visando abranger maiores escalas espaços-temporais.
	Este projeto pretende desenvolver e/ou adaptar um campo de força coarse-grained (ELBA) para sistemas auto-organizados (p.e., biomembranas, peptídeos, copolímeros, surfatantes) de forma que as simulações reproduzam consistentemente as interações eletrostáticas e de Van der Waals e, conseqüentemente, reproduzam os fenômenos de interesse de forma inequívoca. As simulações com campos de força coarse-grained auxiliarão na interpretação de resultados experimentais.

O projeto pretende realizar de forma concertada uma série de estudos sobre modulação da mobilidade do analito, com finalidade de otimização de separações em eletroforese capilar. Um grande número de compostos de importância clínica, forense, farmacêutica, ambiental e dentro do contexto da ciência de alimentos estão sob consideração e compreendem séries homólogas (alquilbenzenos, alquibenzocetonas, halofenóis, alquilbenzenes, benzilaminas, éteres coroa e alcanos) e séries funcionais (compostos fenólicos como flavonoides, ácidos fenólicos fenóis, etc, terpenos, pesticidas, esteroides, drogas de abuso, ácidos carboxílicos, aminoácidos, aminas alifáticas e aromáticas, corantes de alimentos, ácidos graxos, hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, aldeídos e cetonas, etc). Um resultado desse estudo é a construção de um banco de dados de mobilidade contendo ca. 500 compostos, em diferentes sistemas de eletrólito, que permite gerar um índice ("código de barras") para cada soluto, que pode vir a ser de grande utilidade na identificação do analito em matrizes complexas. Para classes selecionadas de compostos, o projeto ainda envolve estudos do efeito do solvente orgânico em equilíbrios ácido-base, complexação com ciclodextrinas e interações soluto-micela. Adicionalmente, as interações moleculares que governam a associação soluto-tensoativo, desde concentrações pré-micelares, serão investigadas. E, finalmente, os vários compartimentos micelares serão inspecionados ou redefinidos por relações quantitativas estrutura-retenção ou relações lineares de energia livre (QSRR/LFER) e dinâmica molecular.

Usando micelas e vesículas como modelos devemos focalizar perguntas que representam novas fronteiras no estudo de propriedades interfaciais usando metodologias com as quais vimos contribuindo há décadas e implantando novas técnicas em colaboração com pesquisadores do Brasil e do exterior. Podem-se desenhar surfactantes que se associem, formem vesículas, catalisem e sejam capazes de se auto-reproduzir e catalizar? Qual é o papel da bicamada lipídica na assimetria e nas propriedades seletivas de adsorção de íons ou sobre as propriedades eletrostáticas totais das membranas? Como pode esta seletividade de ligação de íons influenciar as interações membrana / peptídeo? Como se distribuem os íons no interior de vesículas? Qual o mecanismo de associação do íon triflato em micelas zwitteriônicas e positivas com tamanhos variáveis de cadeia? Como utilizar a reação de dediazonização de derivados diazobenzênicos substituídos para investigar escalas de nucleofilicidade relevantes para sistemas biológicos e determinar idealidade em misturas de solventes? Quais as propriedades de agregação, catálise e interação com vesículas de polímeros catiônicos sintéticos?. Como se comporta a paroxonase humana e a asparaginase quando interage com membranas? Qual o mecanismo de interação de BP100, um undecapeptídeo semissintético, com membranas? Podem-se incorporar eficientemente novos compostos imidazólicos e antiinflamatórios em lipossomos? As respostas a estas perguntas, que fazem parte de uma linha de pensamento do nosso grupo, devem trazer contribuições fundamentais e aplicadas na área de sistemas biomiméticos.

Fotossensibilização ocorre quando compostos fotoativos absorvem luz e a transferem para moléculas vizinhas, de tal forma que a energia luminosa é transformada em química. A natureza utiliza os processos de fotos-sensibilização de forma organizada e controlada. No entanto, estes processos podem ficar descontrolados, gerando espécies reativas, que causam danos em células em tecidos, por exemplo, na pele do ser humano que se expõem demasiadamente ao sol. O homem aprendeu a utilizar esta geração foto-induzida de espécies excitadas e reativas para destruir células e tecidos doentes e consequentemente tratar diversas doenças, em um processo denominado Terapia Foto-dinâmica (PDT, do inglês Photodynamic Therapy). Neste projeto pretendemos entender no nível molecular os mecanismos de fotos-sensibilização que atuam durante a PDT ou durante a exposição exagerada ao sol, utilizando diversos modelos de estudo: os ambientes e técnicas computacionais, os sólidos e as soluções de compostos e nanomateriais purificados, os modelos biomiméticos, as células em cultura, modelos animais e estudos clínicos em pacientes. Estes modelos de estudo são normalmente utilizados/dominados por pesquisadores com especialidades em disciplinas distintas, ou seja, física, química, biologia, bioquímica, farmácia e medicina, que neste projeto formarão uma equipe para tratar o tema das reações de fotos-sensibilização de maneira multidisciplinar, formando um ambiente ideal para o treinamento de graduandos, pós-graduandos, pós-doutores e jovens pesquisadores. Além disso, a colaboração com instituições clínicas permitirá que alguns destes conhecimentos sejam rapidamente aplicados na prática clínica trazendo benefícios imediatos para a sociedade. Para alcançar estes objetivos dividimos este projeto em quatro sub-projetos que são: estudo dos mecanismos da PDT, síntese de novos fotos-sensibilizadores para PDT, caracterização dos mecanismos de fotos-sensibilização induzidos por UVA, resposta aos processos de fotos-sensibilização em animais e humanos.

A dengue é uma virose transmitida para o ser humano por mosquitos do tipo aedes em muitas regiões tropicais e subtropicais. Em 2007, ocorreram cerca de 560.000 casos de dengue no país dos quais cerca de 1500 foram de dengue hemorrágica de alto índice de letalidade. A infecção pelos diferentes vírus da dengue ocorre através de procedimentos que envolvem 10 proteínas virais C, prM, E, NS1, NS2A, NS2B, NS3, NS4A, NS4B e NS5 (as funções de algumas destas proteínas permanecem, no momento, desconhecidas porém são proteínas estruturais, proteínas com funções diversas na transferência do material genético do vírus para dentro e para fora da célula, na disponibilização das proteínas a partir do genoma e a produção do material genético). As investigações (por mais de 1700 pesquisadores no país), que se destinam a entender e controlar os procedimentos de infecção pelo vírus da dengue, abordam o assunto como sendo de virologia, de saúde publica em geral, de infectologia, de bioquímica, de biologia molecular, de microbiologia, de imunologia, de genética, de parasitologia principalmente. O objetivo do projeto é contribuir no entendimento dos processos que permitem ao vírus da dengue se fundir em células hóspede e de processos que inibem a multiplicação do vírus seja dificultando a sua inserção na célula, seja dificultando a construção de novas partículas virais. No presente projeto, estes procedimentos serão estudados ao nível atômico a partir de informações experimentais disponíveis a respeito das estruturas protéicas 3D, das interações com receptores celulares e de processos de inibição da ação do vírus. Diversos temas principais serão estudados tais como: a estrutura do proteína E nas fases preparatórias à fusão e durante a fusão do vírus na célula e a inibição da fusão tanto nas fases preparatórias, quando mudanças intensas ocorrem nas proteínas virais envolvidas, como na própria fase da fusão. As seguintes técnicas serão usadas: simulações por dinâmica molecular e de mecânic