Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Maryland estão usando nêutrons no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) para capturar novas informações sobre moléculas de DNA e RNA e permitir simulações de computador mais precisas de como elas interagem com tudo, desde proteínas para vírus. Resolver as estruturas 3-D dos materiais genéticos fundamentais do corpo em solução terá um papel vital na descoberta e no desenvolvimento de medicamentos para tratamentos médicos essenciais.

"Uma melhor compreensão da estrutura e da dinâmica conformacional do DNA e do RNA pode nos ajudar a responder a perguntas sobre por que e como os medicamentos funcionam e nos ajudar a localizar onde as principais interações estão ocorrendo em nível atômico, "disse Alexander Grishaev do NIST, que liderou a pesquisa de espalhamento de nêutrons realizada no High Flux Isotope Reactor (HFIR), um Departamento de Instalações do Usuário de Energia localizado em ORNL.

A equipe usou o instrumento Bio-SANS do HFIR para realizar o espalhamento de nêutrons de ângulo pequeno a amplo, uma técnica não executada anteriormente em amostras de DNA e RNA em solução por causa de capacidades experimentais limitadas.

"Capturar uma gama mais ampla de ângulos para biomoléculas em solução usando espalhamento de nêutrons não era possível até recentemente, "disse Grishaev, "e Oak Ridge é um dos únicos lugares onde você pode fazer esse tipo de trabalho."

Estender as capacidades de espalhamento de nêutrons de solução é parte de um esforço de avanço em direção a uma abordagem mais integrativa em biologia estrutural que combina estudos de cristal, métodos de solução, e outras técnicas experimentais e computacionais para melhorar a compreensão das estruturas de DNA e proteínas.

As simulações de computador de biomoléculas foram bem informadas por cristalografia de raios-X. A principal técnica usa raios-x para determinar o arranjo dos átomos em uma amostra que foi "cristalizada" para análise. Para obter dados de alta qualidade com esta técnica, amostras de materiais biológicos que são tipicamente diluídos em solução são concentrados e solidificados em cristais com uma estrutura uniforme.

A cristalografia de raios-X funciona especialmente bem para biomoléculas rígidas com estruturas mais ou menos fixas, mas biomoléculas flexíveis como DNA e RNA que adotam múltiplas "conformações" ou formas são menos adequadas para a cristalização.

Dentro das células vivas, DNA e RNA podem se mover, mudar as formas, e respondem de forma diferente aos efeitos ambientais, como pH ou temperatura, alterações que são importantes para representar, mas difíceis de caracterizar.

"A cristalização embala as moléculas firmemente, que limita seus movimentos e mascara algumas das informações estruturais que queremos ver, "disse Grishaev.

Diversas técnicas foram aplicadas com sucesso ao DNA e RNA em solução, incluindo solução de espalhamento de raios-X e espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), ambos produzem dados importantes. Ainda, discrepâncias significativas existem entre os dados experimentais de espalhamento e as melhores estruturas cristalinas disponíveis de DNA e RNA.

A equipe recorreu aos nêutrons para descobrir o porquê.

"Os nêutrons interagem com as biomoléculas de maneira diferente, para que possamos usá-los como uma fonte independente de dados para validar ou definir melhor os modelos que temos, "disse Roderico Acevedo de Maryland.

Enquanto os raios-x funcionam bem para definir átomos pesados, como carbono, oxigênio, e fósforo, nêutrons são ideais para examinar átomos de hidrogênio mais leves que conectam as fitas de DNA, por exemplo. Adicionalmente, nêutrons oferecem uma vantagem na sondagem de biomoléculas porque não são destrutivos e não os danificam.

Usando o instrumento Bio-SANS no HFIR, os pesquisadores foram capazes de coletar informações estruturais em solução não facilmente obtidas por outras técnicas experimentais.

O experimento exigiu um alto fluxo de nêutrons e detectores de grande angular para coletar padrões de espalhamento de alta precisão para revelar as estruturas de nível atômico de DNA e RNA em solução.

Usar nêutrons para coletar informações estruturais sobre biomoléculas não é um feito comum, diz Grishaev. Pequenas amostras biomoleculares em soluções diluídas frequentemente produzem padrões de espalhamento ruidosos, tornando os dados difíceis de analisar.

"O Bio-SANS da HFIR é um dos poucos instrumentos de nêutrons no mundo com a capacidade de capturar ângulos de espalhamento pequenos e amplos simultaneamente, combinando detalhes em escala global e local, "disse o cientista de instrumentos do Bio-SANS, Volker Urban.

"Conseguimos obter alguns dos dados de dispersão de nêutrons da solução de mais alta precisão já coletados em ângulos amplos, não apenas no DNA e RNA, mas em biomoléculas em geral, "disse Grishaev.

Ao adicionar as novas informações coletadas por meio de espalhamento de nêutrons de solução a outros dados de espalhamento de raios-X de solução e espectroscopia de NMR, o grupo NIST-Maryland espera obter uma imagem mais abrangente das estruturas de DNA e RNA, bem como expandir os caminhos para a definição de estruturas moleculares com técnicas baseadas em nêutrons.