p DNA não é apenas o projeto de vida, tornou-se a espinha dorsal para a produção de estruturas minúsculas que podem ser inseridas no corpo humano para diagnosticar e tratar doenças. Em particular, pesquisadores estão focados em uma técnica conhecida como origami de DNA, em que eles montam meticulosamente centenas de fitas de DNA para construir uma coleção liliputiana de estruturas que podem incluir recipientes de entrega de drogas, biossensores e outros dispositivos biocompatíveis. p Em esforços que prometem melhorar drasticamente este processo, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descobriram agora uma maneira de aumentar significativamente a precisão das informações-chave sobre como o calor afeta a estabilidade das estruturas dobradas de DNA.

p Para funcionar de forma confiável, essas estruturas, apenas algumas dezenas de nanômetros (bilionésimos de metro) de comprimento, deve ser cuidadosamente moldado em ordem, por exemplo, para entregar medicamentos a alvos específicos. Mas as forças - ligações de hidrogênio - que unem pedaços de DNA para formar a conhecida dupla hélice dependem da temperatura e de seu ambiente local.

p Para determinar como diferentes fitas de DNA reagem às mudanças de temperatura, os pesquisadores contam com uma série de medições que formam um gráfico conhecido como curva de fusão do DNA. A curva revela, por exemplo, a temperatura na qual metade do fio "derreteu, "ou desvendado. Também mostra a quantidade de calor que os fios devem absorver para aumentar sua temperatura em um grau C. Ao revelar essas e outras propriedades térmicas dos fios, a curva fornece aos cientistas o conhecimento para projetar duráveis, estruturas mais complexas feitas de DNA.

p Tão importante quanto a curva de fusão do DNA é, permanece um problema antigo em medi-lo com precisão. Por causa dos efeitos de fundo e fontes desconhecidas de variabilidade, dezenas de amostras de DNA idênticas terão curvas de fusão diferentes, limitar a capacidade dos cientistas de extrair informações significativas.

p Os pesquisadores do NIST desenvolveram um novo algoritmo matemático que explica automaticamente esses efeitos desconhecidos, permitindo que os cientistas colham todos os benefícios da curva de fusão.

p Como cientistas que estudaram várias maneiras de aperfeiçoar o origami de DNA, Os pesquisadores do NIST Jacob Majikes e Alex Liddle estavam muito familiarizados com as imprecisões que afetam a curva de fusão do DNA. Em princípio, se eles e outros pesquisadores pudessem reproduzir com precisão todas as condições de laboratório sob as quais mediram a curva, as incertezas poderiam ser reduzidas.

p Mas, dadas as diminutas quantidades de DNA nos experimentos - não maiores do que uma gota d'água - isso era difícil de fazer na prática. Então Majikes e Liddle entraram em contato com um matemático do NIST, Anthony Kearsley, e seu colaborador, O físico do NIST, Paul Patrone, na esperança de encontrar uma solução matemática.

p Para Kearsley e Patrone, o desafio era irresistível:a verdadeira curva de fusão do DNA estava oculta em cada conjunto de medições; o desafio era encontrar uma maneira de revelá-lo. Nenhuma teoria matemática conhecida descreve totalmente a curva de fusão, então os pesquisadores tiveram que descobrir uma maneira de remover as incertezas na curva de fusão usando apenas os dados experimentais. Com tão poucas informações, significava que eles tinham que ser criativos.

p Na busca por um algoritmo que resolva este problema, a equipe reconheceu que as distorções nas verdadeiras curvas de fusão do DNA estavam se comportando de maneira direta. Isso é, as distorções eram semelhantes a um tipo especial de espelho de casa de diversões - aquele que preservava o espaçamento relativo entre os pontos de dados, mesmo quando contraiu ou expandiu a curva, e isso permitiu que linhas paralelas permanecessem paralelas. Para tentar corrigir esses efeitos, os cientistas aplicaram uma ferramenta matemática conhecida como transformação afim.

p Kearsley e Patrone estavam procurando por uma transformação afim particular - uma que tornasse cada conjunto de dados em conformidade com todos os outros, para que tenham essencialmente a mesma aparência. Mas para encontrar essa transformação, usando uma técnica conhecida como otimização restrita, os cientistas tiveram que se afastar do quadro-negro e mergulhar na mecânica do laboratório de DNA.

p Nem Kearsley nem Patrone tinham ouvido falar de origami de DNA, muito menos as medições necessárias para montar a curva de fusão. Eles fizeram dezenas de perguntas sobre cada componente do experimento em nanoescala, determinar quais partes eram importantes para modelar e quais eram irrelevantes. Depois de semanas de cálculos teóricos, Patrone teve sua primeira chance de ver o experimento real. Ele viu com espanto a configuração do laboratório, com sua matriz 8x12 de 96 poços minúsculos, cada uma contendo exatamente a mesma sequência de DNA a partir da qual Majikes e Liddle registraram 96 curvas de fusão de DNA diferentes.

p Armado com dados laboratoriais mais do que suficientes, Kearsley e Patrone desenvolveram o problema de otimização que eles pensaram que funcionaria melhor para remover os erros. Em seguida, eles aplicaram o algoritmo a cada uma das 96 curvas e observaram o que acontecia.

p Em uma tela de computador, a infinidade de curvas, distorcida de maneiras diferentes, tornou-se indistinguível, cada um traçando a mesma forma, altura e pontos finais. As 96 curvas entraram em colapso para se tornar uma única curva de fusão de DNA.

p "Estávamos convencidos de que havíamos resolvido o problema, "disse Kearsley. Os pesquisadores relatam suas descobertas no Volume 607 de Bioquímica Analítica .

p Os cientistas usaram origami de DNA para fabricar nanorrobôs que realizam operações de computação e tarefas pré-programadas dentro de organismos vivos. Eles também confiaram no origami de DNA para criar recipientes de entrega de medicamentos em miniatura que se abrem apenas quando são identificados e anexados às células infectadas.

p A equipe agora está divulgando o sucesso de sua solução, alertando os pesquisadores que realizam origami de DNA que é possível medir com precisão a curva de fusão e orientar o crescimento de estruturas de origami de DNA. Tão importante quanto, disse Patrone, a mesma técnica poderia ser aplicada a outros problemas biofísicos nos quais os dados verdadeiros são obscurecidos por tipos semelhantes de erros. Os pesquisadores estão estudando como melhorar a precisão dos experimentos em que células humanas fluem através de minúsculos detectores de caça ao câncer. p Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.