Pontos quânticos venceram o Prêmio Nobel de química de 2023

Desde o início da década de 1980, quando os cientistas Alexei Ekimov, Louis Brus e Alexander Efros descobriram os pontos quânticos (QDs), esta tecnologia desenvolveu-se rapidamente em aplicações abrangentes e impactantes. A jornada até o Prêmio Nobel foi repleta de marcos críticos (Figura 1), mas sua perseverança em continuar a avançar foi finalmente reconhecida pelo Comitê do Nobel.

Os nanocristais semicondutores de pontos quânticos (como seleneto/sulfeto de zinco, arsenieto de índio e gálio, perovskita de iodeto de chumbo e césio ou grafeno) revolucionaram os displays, como telas de LED de alto brilho, melhorando a precisão das cores e a eficiência energética. Em exemplo disse foi a introdução de TVs comerciais de pontos quânticos em 2013.

A fluorescência dependente do tamanho também desempenhou um papel fundamental no avanço da energia renovável, particularmente em células solares. A preparação sustentável de QDs à temperatura ambiente em soluções coloidais permitiu aplicações mais diversas com adaptabilidade excepcional, como a fotocatálise para geração de hidrogênio ou a redução de poluentes orgânicos. Também ajudaram a geração de imagens na biomedicina, onde se tornaram uma ferramenta vital para a administração precisa de medicamentos e diagnóstico de doenças como o câncer.

A influência dos pontos quânticos continua a se expandir, com desenvolvimentos como LEDs de pontos quânticos, inspeção de partículas ferromagnéticas, fotocondutores e fotodetectores, com enorme potencial para uso em lasers de pontos quânticos e computadores quânticos, demonstrando seu impacto em constante evolução na ciência e na tecnologia.

O caminho trilhado até o Prémio Nobel foi uma longa jornada, mas as oportunidades e os impactos são de longo alcance. Hoje, pesquisas emergentes nas áreas da nanomedicina estão remodelando a administração de medicamentos, o diagnóstico e a imagiologia biomédica, a eletrônica de consumo, a energia sustentável e oportunidades de catálise ainda mais sustentáveis no futuro.   

Quais são as descobertas mais negligenciadas que ainda não ganharam um Nobel?

À medida que a comunidade científica se prepara para a temporada do Nobel, estamos sempre entusiasmados em prognosticar, conjecturar e debater ideias sobre os vencedores. No entanto, este ano adotamos uma abordagem diferente para a estação do Nobel, apresentando os nossos cientistas enquanto falam sobre quais as descobertas que mais os surpreendem por ainda não terem ganho este prestigiado prêmio. Convidamos você a se juntar a nós na conversa no LinkedIn para analisarmos algumas das descobertas científicas mais notáveis e influentes que ainda não ganharam o Prêmio Nobel. São descobertas abrangentes, que vão desde o nível nanomolecular até enormes telas OLED e têm implicações na química, na biologia e na medicina. Participe da conversa e vote em nossa próxima enquete no LinkedIn enquanto revelamos nossas opiniões sobre as descobertas mais negligenciadas que ainda não ganharam o prêmio.

Como os OLEDs podem iluminar o Prêmio Nobel

Hoje, os OLEDs são vistos em todos os lugares, em telefones, reprodutores de mídia, sistemas de jogos portáteis, iluminação e até mesmo em rádios de automóveis. A tecnologia foi creditada aos químicos Ching Wan Tang e Steven Van Slyke por serem pioneiros no primeiro dispositivo OLED prático em 1987, enquanto trabalhavam na Eastman Kodak. Abriram o caminho para uma nova geração de tecnologias de exibição em todos os setores.

Um Diodo Emissor de Luz Orgânico é um diodo emissor de luz (LED) no qual a camada eletroluminescente emissiva é uma película de composto orgânico que emite luz em resposta a uma corrente elétrica. Esta camada orgânica está situada entre dois eletrodos; normalmente, pelo menos um desses eletrodos é transparente. Devido à sua natureza leve, podem ser fabricados em substratos plásticos flexíveis, têm melhor qualidade de imagem e podem ser impressos em qualquer substrato adequado para uma impressora jato de tinta.

O CAS indexou mais de 113 mil documentos relacionados aos OLEDs em diversas áreas de aplicação desde o primeiro dispositivo prático de Tang e Van Slyke em 1987.Os 30 mil periódicos e 80 mil patentes ilustram sua importância central no desenvolvimento tecnológico.

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O caso do Prêmio Nobel para as estruturas metal-orgânicas

O desenvolvimento de estruturas de materiais porosos, ajustáveis e complexos por meio da automontagem de blocos de construção moleculares simples permaneceu obscuro por muito tempo. No entanto, desde a década de 1990, quando foram descobertas pela primeira vez por Omar M. Yaghi e Makoto Fujita, as estruturas metal-orgânicas (MOFs) provaram ser uma solução promissora. Ao ligar átomos ou aglomerados metálicos (como Zn ou Cu) a compostos orgânicos (como carboxilatos ou imidazolatos), os MOFs combinam nanoestruturas rígidas controladas com precisão e funcionalização química indisponível para materiais porosos tradicionais.

Ao variar a natureza dos itens elementares de moléculas metálicas e orgânicas, bem como o método de preparação (como síntese solvotérmica ou hidrotérmica) e solvente orgânico, os MOFs podem ser ajustados com precisão. Ajustar a área de superfície e as propriedades baseadas em adsorção, além das propriedades eletrônicas, magnéticas e luminescentes, também leva a uma ampla gama de aplicações. O que começou como materiais promissores para captura, separação, armazenamento de gases (como hidrogênio, dióxido de carbono e oxigênio) e catálise heterogênea, agora mostrou aplicações como biossensores/materiais de bioimagem, sistemas de administração de medicamentos, ligação e remoção de moléculas hóspedes, dessalinização /tratamento de água, ou mesmo semicondutores e ferroelétricos.

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A sintetização do DNA desvendou os segredos da vida

É surpreendente que a síntese química do DNA não tenha ganho um Prêmio Nobel, já que passou de uma exploração especializada para uma ferramenta de investigação, de diagnóstico e forense amplamente utilizada. Essa descoberta avançou vertiginosamente a pesquisa biológica e ajudou a lançar com sucesso a indústria de biotecnologia. Marvin H. Caruthers desenvolveu métodos para a síntese de DNA com fosforamidita, que reuniu nucleotídeos com eficiência e precisão em filamentos curtos de DNA, permitindo a engenharia genética de novos produtos biofarmacêuticos, impressão digital forense de DNA e o projeto do genoma humano. É usado hoje por cientistas para muitos aspectos diferentes da pesquisa biomédica, incluindo sequenciamento genético, desenvolvimento de medicamentos e vacinas, diagnóstico de doenças e testes de patógenos, como os testes para a COVID-19. Essa tecnologia também foi crítica para o desenvolvimento de outras técnicas biomédicas, como a reação em cadeia da polimerase, hoje usada para ampliar o DNA para estudos mais detalhados.

Desde o pioneirismo de Caruthers nessas ferramentas, o CAS indexou mais de 80 mil documentos sobre síntese de DNA. O CAS indexou 243 documentos de autoria do Dr. Caruthers, inclusive mais de 30 patentes. A publicação seminal, que compartilhou a ideia com o mundo, “Desoxinucleosídeos fosforamiditos – Uma nova classe de intermediários-chave para a síntese de desoxipolinucleotídeos” foi citada mais de 3.400 vezes.

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O avanços do microbioma intestinal estão remodelando os resultados futuros

A investigação do microbioma intestinal expandiu-se exponencialmente nos últimos anos, com o transplante de microbiota fecal (FMT) na vanguarda desta investigação. Forneceu informações valiosas sobre a complexa interação entre o microbioma e a saúde humana, levando os cientistas a explorarem como as bactérias intestinais afetam várias funções corporais, desde a digestão e o metabolismo até o sistema imunológico e a saúde mental. Uma das contribuições mais marcantes do FMT é o seu notável sucesso no tratamento de condições gastrointestinais, como a infecção recorrente por Clostridioides difficile, que é frequentemente uma infecção bacteriana possivelmente fatal, resistente aos antibióticos convencionais. A introdução de uma população diversificada e saudável de bactérias intestinais pelo FMT ajuda a restaurar o equilíbrio microbiano no intestino do receptor, alivia os sintomas, promove a recuperação e combate a resistência aos antibióticos, uma preocupação crescente de saúde global.

Embora o FMT esteja principalmente associado a condições relacionadas ao intestino, suas aplicações em potencial vão muito além do sistema digestivo. Os pesquisadores estão investigando seu uso no tratamento de doenças como a Síndrome Inflamatória Intestinal (SII), doença de Crohn, colite ulcerativa, obesidade, alergias, doenças autoimunes e até mesmo condições neurológicas como doença de Parkinson e depressão.

A história do FMT remonta ao século IV e é altamente considerada desde 2013, quando a Food and Drug Administration dos Estados Unidos a aprovou para o tratamento de infecção recorrente e refratária por C. difficile. CAS tem mais de 400 patentes dedicadas à invenção do FMT e sua metodologia, e mais de 5 mil publicações em periódicos nos últimos cinco anos. Estas descobertas inovadoras estão remodelando a nossa compreensão sobre a influência do microbioma na saúde geral. O transplante de microbiota fecal representa um excelente exemplo de como a inovação médica pode emergir de fontes não convencionais, desafiando as abordagens tradicionais de tratamento.

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Os dendrímeros, a nanociência e a química supramolecular estão prontos para ganhar um Prêmio Nobel?

Tradicionalmente, muitos dos principais benefícios de um medicamento ou produto farmacêutico não podem ser alcançados devido à sua baixa solubilidade, alta toxicidade ou problemas de estabilidade. No entanto, o uso de dendrímeros como veículos de distribuição de medicamentos pode resolver muitos destes problemas.

Os dendrímeros são polímeros ramificados, que começam em um núcleo seguido por pontos de ramificação repetidos. Têm tamanho ajustável, interagem com membranas celulares e apresentam características estáveis em sua estrutura interna, tornando-os ideais para fazer a entrega de produtos farmacêuticos ativos. A síntese de dendrímeros é desafiadora e não é econômica, mas suas diversas possibilidades de aplicação ainda impulsionam esse campo de pesquisa.

Dr. Didier Astruc estabeleceu a síntese sistemática de dendrímeros, seguida pela funcionalização de nanopartículas metálicas de transição, como nanopartículas de ouro. Esta pesquisa resolveu os obstáculos da síntese de dendrímeros e criou a sustentabilidade da química de catálise por dendrímeros com base na baixa quantidade de carga de catalisador e na alta eficiência catalítica. Esta pesquisa tornou possível a catálise sustentável usando dendrímeros incorporados em nanopartículas metálicas, aliviando nosso consumo de energia e aumentando a sustentabilidade para a próxima geração.

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Digno de Nobel: vacinas de mRNA além da COVID

Embora grande parte do mundo já tenha visto o impacto do mRNA nas vacinas contra a COVID-19, talvez seja hora de reconhecer a Dra. Katalin Karikó e o Dr. Drew Weissman por suas contribuições notáveis às modificações de nucleosídeos para suprimir a imunogenicidade do RNA, além de seu trabalho pioneiro em RNA mensageiro.

Normalmente, as moléculas de mRNA em seu estado natural são rapidamente destruídas quando injetadas no corpo, são extremamente inflamatórias e não conseguem instruir as células a produzir proteína viral suficiente para desencadear uma resposta imunológica. Após anos de experimentação, Karikó e Weissman criaram uma versão modificada do mRNA. Nesta versão modificada, a uridina foi substituída por N1-metilpseudouridina (m1Ψ). Com esta descoberta, o mRNA foi transformado em uma plataforma de vacina altamente eficaz. A substituição permite que o mRNA modificado evite a detecção imunológica, permaneça ativo por mais tempo e entre nas células-alvo para criar antígenos para combater doenças.

A plataforma de mRNA é muito mais rápida que as plataformas de vacinas tradicionais, que exigem purificação de proteínas ou inativação de vírus.A velocidade da plataforma poderá ser vital para o tratamento de outras doenças e surtos futuros, como tratamento do câncer, imunoterapia e tratamento de doenças genéticas.

O CAS indexou mais de 500 documentos e 50 patentes de autoria da Dra. Karikó e do Dr. Weissman, inclusive 7 patentes conjuntas. Pfizer/BioNTech e Moderna licenciaram patentes conjuntas deles sobre RNA modificado com nucleosídeo para vacinas contra a COVID-19.

Dentre seus trabalhos mais citados estão:

• Suppression of RNA recognition by toll-like receptors: The impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA, Immunity (2005), 23(2), 165-175. Citado mais de 1900 vezes.
• Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability.  Molecular Therapy (2008), 16(11), 1833-1840. Citado mais de 1400 vezes.
• mRNA Is an Endogenous Ligand for Toll-like Receptor 3, Journal of Biological Chemistry (2004), 279(13), 12542-12550. Citado mais de 1200 vezes.

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