ANN ARBOR — Estruturas que se escondem na luz revelam pequenas quantidades de DNA com sensibilidade 50 vezes melhor do que os métodos atuais mais eficazes, mostra um trabalho feito em colaboração entre a Universidade de Michigan e a Universidade de Jiangnan, na China.

A detecção altamente sensível do DNA pode ajudar com o diagnóstico de pacientes, resolvendo crimes e identificando as origens de contaminantes biológicos, como um agente patogênico em um distribuidor de água.

“Realmente não importa de onde é o DNA alvo,” disse Nicholas Kotov, Professor de Engenharia Química da U-M. “A fim de detectar um DNA específico, só precisamos conhecer uma pequena porção de sua sequência.”

Métodos atuais de análise de DNA dependem da cópia de segmentos de um filamento de DNA. O processo descompacta a dupla hélice e então, curtos filamentos de DNA “primers”, se anexam à cada metade de DNA original. Estes primers iniciam o processo de cópia, usando o DNA descompactado como um modelo. Os segmentos de DNA alvos podem ser replicados desta maneira, duplicando cada ciclo. Se são produzidos DNAs suficientes antes das cópias erradas se tornarem um grande problema, então mais análises podem mostrar se a amostra corresponde a um suspeito, por exemplo.

Mas se os primers forem muito seletivos para a sequência de DNA suspeita, então a correspondência poderia ser determinada simplesmente por detectar se o DNA tinha copiado ou não. Estudos revelaram que pequenas quantidades de DNA poderiam ser observadas quando nanopartículas esféricas de ouro foram anexadas aos primers. Se o DNA se corresponde às suspeitas, sequências de cadeias de partículas vinculadas juntamente com DNA se formariam no processo de replicação. A solução de nanopartículas mudaria a cor de vermelho para azul, devido à forma como as cordas de partículas interagem com a luz.

“Limites de detecção impressionantes foram alcançados para DNAs curtos com nanopartículas; no entanto, não para DNAs longos,” disse Kotov.

O problema, ele explicou, é que se as partículas estão mais distantes do que poucos nanômetros, ou milionésimos de um milímetro, “elas não interagem fortemente, e a cor azul não acontece.” Filamentos mais longos são necessários para diferenciar entre espécies e indivíduos com maior precisão.

“Se os filamentos são muito curtos, você poderia misturar o DNA de um assassino com o do cachorro de um amigo – ou a assinatura de câncer de estômago maligno com o pedaço de um burrito de frango,” Kotov disse.

Ele e seu parceiro Chuanlai Xu, professor de Ciências e Tecnologia dos Alimentos da Universidade de Jiangnan, na China, lideraram um esforço para ver se uma mudança de ótica mais sutil poderia aguentar longas distâncias.

Ao invés de usar nanopartículas esféricas, a equipe começou com nanobarras, com formato dos pequenos doces com sabor de fruta Mike and Ike, com cerca de 62 nanômetros de comprimento e 22 nanômetros de diâmetro. Eles uniram o DNA primer aos seus próprios lados.

Quando as nanobarras se alinham, elas tendem a se desalinharem por cerca de 10 graus. Após algumas rodadas de cópias, o ouro e as estruturas de DNA se assemelhavam às escadas de corda torcidas. A luz que passa através da espiral de raios de ouro reagem girando.

“A luz pode ser girada mesmo quando as nanobarras estão longe umas das outras,” disse Kotov. “Isto dá aos nossos métodos, uma vantagem tremenda em sensibilidade para longos filamentos de DNA.”

A rotação acontece porque a luz é composta de ondas elétricas e magnéticas, que se movem de forma conjunta e os campos elétricos e magnéticos exercem forças sobre partículas carregadas que têm liberdade de movimento, tais como elétrons em metais. Os elétrons em ouro respondem muito bem à frequência de ondas de luz visíveis, então eles começam a se mover para a frente e para trás no ouro, sincronizados com a luz. Este efeito é uma via de mão dupla: os elétrons em movimento no ouro também podem afetar as ondas de luz.

Kotov compara a luz a uma corda com ondas passando por ela.

“Agora imagine que o ar ao redor da corda pode se mover mais facilmente ao longo de determinadas direções,” disse Kotov.

Para a luz que passa através das nanobarras de ouro, é mais fácil se a onda elétrica mover o comprimento da nanobarras para cima e para baixo, então a luz gira como ela se move de nanobarra para nanobarra e continua torcendo depois que deixa a estrutura. E dependendo se a luz começa girando no sentido horário ou anti-horário, sente-se mais a torção das nanobarras em diferentes comprimentos de onda.

“Para fins analíticos, isto é um presente,” disse Kotov.

Os dois picos na quantidade de voltas da luz no sentido horário e anti-horário podem ser adicionados juntos, o que torna um sinal mais forte e permite ao método identificar uma correspondência, ou par, com pequenas quantidades de DNA.

“A força da rotação atinge seu máximo quando o espaço entre as nanobarras é de 20 nanômetros, que é exatamente o que precisamos para a detecção da longa, seletiva e específica espécie de filamento de DNA,” disse Kotov. “Os cálculos apresentados mostram que podemos potencialmente aumentar a sensibilidade ainda mais no futuro e para DNAs ainda mais longos.”

O estudo, “Attomolar DNA detection with Chiral Nanorod Assemblies,” será publicado no dia 28 de outubro no jornal científico Nature Communications. Kotov é professor de Engenharia Química, Engenharia Biomédica, Ciências dos Materiais e Engenharia e Ciência e Engenharia Macromolecular.

Este trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciência, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, pelo Ministério da Ciência e Tecnologia da China e com verbas concedidas pelos Ministérios das Finanças e da Educação da província de Jiangsu, China.