Uma equipe de cientistas liderada pelo físico Jason Reed da Virginia Commonwealth University, Ph.D., desenvolveram uma nova tecnologia de nanomapeamento que pode transformar a maneira como as mutações genéticas causadoras de doenças são diagnosticadas e descobertas. Descrito em um estudo publicado hoje na revista Nature Communications , esta nova abordagem usa microscopia de força atômica de alta velocidade (AFM) combinada com uma técnica de barcoding químico baseada em CRISPR para mapear o DNA quase tão precisamente quanto o sequenciamento de DNA enquanto processa grandes seções do genoma em uma taxa muito mais rápida. Além do mais, a tecnologia pode ser alimentada por peças encontradas em seu reprodutor de DVD comum.

O genoma humano é composto de bilhões de pares de bases de DNA. Desvendado, ela se estende por quase um metro e oitenta de comprimento. Quando as células se dividem, eles devem fazer uma cópia de seu DNA para a nova célula. Contudo, às vezes, várias seções do DNA são copiadas incorretamente ou coladas no local errado, levando a mutações genéticas que causam doenças como o câncer. O sequenciamento de DNA é tão preciso que pode analisar pares de bases individuais de DNA. Mas, para analisar grandes seções do genoma para encontrar mutações genéticas, os técnicos devem determinar milhões de pequenas sequências e depois juntá-las com um software de computador. Em contraste, As técnicas de imagem biomédica, como a hibridização fluorescente in situ (FISH), só podem analisar o DNA com uma resolução de várias centenas de milhares de pares de bases.

O novo método AFM de alta velocidade de Reed pode mapear o DNA para uma resolução de dezenas de pares de bases enquanto cria imagens de até um milhão de pares de bases. E faz isso usando uma fração da quantidade de amostra necessária para o sequenciamento de DNA.

"O sequenciamento de DNA é uma ferramenta poderosa, mas ainda é muito caro e tem várias limitações tecnológicas e funcionais que tornam difícil mapear grandes áreas do genoma de forma eficiente e precisa, "diz Jason Reed, Ph.D., investigador principal do estudo. Reed é membro do programa de pesquisa de Genética Molecular do Câncer no VCU Massey Cancer Center e professor associado do Departamento de Física do VCU College of Humanities and Sciences. "Nossa abordagem preenche a lacuna entre o sequenciamento de DNA e outras técnicas de mapeamento físico que carecem de resolução. Ele pode ser usado como um método autônomo ou pode complementar o sequenciamento de DNA reduzindo a complexidade e o erro ao juntar os pequenos pedaços do genoma analisados ​​durante o processo de sequenciamento. "

Os cientistas da IBM chegaram às manchetes em 1989 quando desenvolveram a tecnologia AFM e usaram uma técnica relacionada para reorganizar as moléculas no nível atômico para soletrar "IBM". AFM atinge esse nível de detalhe usando uma caneta microscópica - semelhante a uma agulha em um toca-discos - que mal faz contato com a superfície do material que está sendo estudado. A interação entre a caneta e as moléculas cria a imagem. Contudo, O AFM tradicional é muito lento para aplicações médicas e, por isso, é usado principalmente por engenheiros na ciência dos materiais.

"Nosso dispositivo funciona da mesma maneira que o AFM, mas movemos a amostra pela caneta com uma velocidade muito maior e usamos instrumentos ópticos para detectar a interação entre a caneta e as moléculas. Podemos alcançar o mesmo nível de detalhe do AFM tradicional, mas pode processar o material mais de mil vezes mais rápido, "diz Reed, cuja equipe provou que a tecnologia pode ser incorporada ao uso de equipamentos ópticos encontrados em aparelhos de DVD. "AFM de alta velocidade é ideal para algumas aplicações médicas, pois pode processar materiais rapidamente e fornecer centenas de vezes mais resolução do que métodos de imagem comparáveis."

Aumentar a velocidade do AFM foi apenas um obstáculo que Reed e seus colegas tiveram que superar. Para realmente identificar mutações genéticas no DNA, eles tiveram que desenvolver uma maneira de colocar marcadores ou rótulos na superfície das moléculas de DNA para que pudessem reconhecer padrões e irregularidades. Uma solução de código de barras química engenhosa foi desenvolvida usando uma forma de tecnologia CRISPR.

O CRISPR ganhou muitas manchetes recentemente no que diz respeito à edição de genes. CRISPR é uma enzima que os cientistas foram capazes de "programar" usando o RNA de alvejamento, a fim de cortar o DNA em locais precisos que a célula então repara por conta própria. A equipe de Reed alterou as condições de reação química da enzima CRISPR de modo que ela apenas grude no DNA e não o corte de fato.

"Como a enzima CRISPR é uma proteína fisicamente maior do que a molécula de DNA, é perfeito para este aplicativo de código de barras, "diz Reed." Ficamos surpresos ao descobrir que este método é quase 90 por cento eficiente na ligação às moléculas de DNA. E porque é fácil ver as proteínas CRISPR, você pode identificar mutações genéticas entre os padrões de DNA. "

Para demonstrar a eficácia da técnica, os pesquisadores mapearam translocações genéticas presentes em biópsias de linfonodos de pacientes com linfoma. As translocações ocorrem quando uma seção do DNA é copiada e colada no local errado do genoma. Eles são especialmente prevalentes em cânceres do sangue, como o linfoma, mas também ocorrem em outros tipos de câncer.

Embora existam muitos usos potenciais para esta tecnologia, Reed e sua equipe estão se concentrando em aplicações médicas. Atualmente, eles estão desenvolvendo software com base em algoritmos existentes que podem analisar padrões em seções de DNA de até e mais de um milhão de pares de bases de tamanho. Depois de concluído, não seria difícil imaginar esse instrumento do tamanho de uma caixa de sapato em laboratórios de patologia auxiliando no diagnóstico e tratamento de doenças ligadas a mutações genéticas.