p Uma nova técnica para ler o código de DNA se baseia em uma propriedade fundamental da matéria conhecida como tunelamento quântico, que opera na escala subatômica. O artigo atual mostra que bases únicas dentro de uma cadeia de DNA podem de fato ser lidas com tunelamento, sem interferência de bases vizinhas, apontando o caminho para o baixo custo, sequenciamento rápido de DNA. p A torção, A forma em forma de escada da molécula de DNA - a planta arquitetônica da vida - contém um universo de informações essenciais para a saúde humana. Um enorme esforço foi investido para decifrar o código genético, Incluindo, mais famosa, o Projeto Genoma Humano. No entanto, o processo de ler cerca de três bilhões de "letras" de nucleotídeos para revelar o genoma completo de um indivíduo continua sendo um empreendimento caro e complexo.

p Agora o biofísico Stuart Lindsay, do Biodesign Institute da Arizona State University, demonstrou uma técnica que pode levar a uma rápida, leitura de baixo custo de genomas inteiros, por meio do reconhecimento das unidades químicas básicas - as bases de nucleotídeos que constituem a dupla hélice do DNA. Uma técnica acessível para sequenciamento de DNA seria um tremendo avanço para a medicina, permitir a triagem genômica clínica de rotina para fins diagnósticos; o projeto de uma nova geração de produtos farmacêuticos sob medida; e até mesmo ajustes genômicos para aumentar a resistência celular à infecção viral ou bacteriana.

p Lindsay é professora da ASU Regents e Carson Presidential Chair de Física e Química, bem como diretora do Centro de Biofísica de Molécula Única do Biodesign Institute. A pesquisa de seu grupo aparece na edição atual da revista. Nature Nanotechnology .

p A técnica de Lindsay para ler o código de DNA se baseia em uma propriedade fundamental da matéria conhecida como tunelamento quântico, que opera na escala subatômica. De acordo com a teoria quântica, partículas elementares como elétrons podem fazer algumas coisas muito estranhas e contra-intuitivas, em desafio às leis clássicas da física. Tal subatômico, entidades quânticas possuem uma natureza de partícula e de onda. Parte da consequência disso é que um elétron tem alguma probabilidade de se mover de um lado de uma barreira para o outro, independentemente da altura ou largura de tal barreira.

p Notavelmente, um elétron pode realizar essa façanha, mesmo quando a energia potencial da barreira excede a energia cinética da partícula. Esse comportamento é conhecido como tunelamento quântico, e o fluxo de elétrons é uma corrente de tunelamento. O túnel está confinado a pequenas distâncias - tão pequeno que uma junção do túnel deve ser capaz de ler uma base de DNA (há quatro delas no código genético, UMA, T, C e G) em um momento sem interferência de bases flanqueadoras. Mas a mesma sensibilidade à distância significa que as vibrações do DNA, ou moléculas de água intervenientes, arruinar o sinal de tunelamento. Assim, o grupo Lindsay desenvolveu "moléculas de reconhecimento" que "agarram" cada base, por sua vez, segurando a base contra os eletrodos que lêem o sinal. Eles chamam esse novo método de "encapsulamento de reconhecimento".

p O artigo atual na Nature Nanotechnology mostra que bases únicas dentro de uma cadeia de DNA podem de fato ser lidas com tunelamento, sem interferência de bases vizinhas. Cada base gera um sinal eletrônico distinto, picos atuais de um determinado tamanho e frequência que servem para identificar cada base. Surpreendentemente, a técnica ainda reconhece uma pequena mudança química que a natureza às vezes usa para ajustar a expressão dos genes, o chamado código "epigenético". Embora o código genético de um indivíduo seja o mesmo em todas as células, o código epigenético é específico do tecido e da célula e, ao contrário do próprio genoma, o epigenoma pode responder às mudanças ambientais durante a vida de um indivíduo.

p Para ler comprimentos maiores de DNA, O grupo de Lindsay está trabalhando para acoplar a leitura do túnel a um nanoporo - um pequeno orifício pelo qual o DNA é arrastado, uma base de cada vez, por um campo elétrico. O artigo da Nature Nanotechnology também tem algo a dizer sobre esse problema. "Sempre se acreditou que o problema de passar o DNA por um nanoporo é que ele voa tão rapidamente que não há tempo para ler a sequência", diz Lindsay. Surpreendentemente, os sinais de tunelamento relatados no Nanotecnologia Nanture o papel dura muito tempo - quase um segundo por base lida.

p Para testar este resultado, Lindsay se juntou a um colega, Robert Ros, para medir o quão forte é preciso puxar para quebrar o complexo de uma base de DNA mais as moléculas de reconhecimento. Eles fizeram isso com um microscópio de força atômica. "Essas medições confirmaram a longa vida útil do complexo, e também mostrou que o tempo de leitura poderia ser acelerado à vontade pela aplicação de uma pequena força de tração adicional ", diz Ros." Assim, o palco está montado para combinar leituras de tunelamento com um dispositivo que passa o DNA através de um nanopore ", diz Lindsay.

p Sequenciamento por tunelamento de reconhecimento, se comprovado com sucesso para a leitura de todo o genoma, poderia representar uma economia substancial de custos e, felizmente, com o tempo também. Os métodos existentes de sequenciamento de DNA normalmente dependem do corte da molécula inteira em milhares de bits componentes, cortando a escada de bases complementares e lendo esses fragmentos. Mais tarde, as peças devem ser meticulosamente remontadas, com a ajuda de um grande poder de computação. "A leitura direta do código epigenético é a chave para entender por que as células em diferentes tecidos são diferentes, apesar de ter o mesmo genoma ", acrescenta Lindsay, uma referência à nova capacidade de ler modificações epigenéticas com tunelamento.

p Lindsay enfatiza que ainda há muito trabalho a ser feito antes que a aplicação do sequenciamento por reconhecimento possa se tornar uma realidade clínica. "Agora mesmo, só podemos ler duas ou três bases conforme a sonda de tunelamento passa sobre elas, e algumas bases são identificadas com mais precisão do que outras, "diz ele. No entanto, o grupo espera que isso melhore à medida que as gerações futuras de moléculas de reconhecimento forem sintetizadas.

p "A física básica agora está demonstrada" Lindsay diz, acrescentando "talvez em breve seja possível incorporar esses princípios em chips de computador produzidos em massa." O dia do "genoma em um laptop" pode estar chegando mais cedo do que se pensava ser possível.