p Os nanoporos podem um dia liderar uma revolução no sequenciamento de DNA. Ao deslizar as moléculas de DNA, uma de cada vez, através de pequenos orifícios em uma membrana fina, pode ser possível decodificar longos trechos de DNA na velocidade da luz. Cientistas, Contudo, ainda não descobri a física de como as fitas de polímero, como o DNA, interagem com os nanoporos. Agora, com a ajuda de um determinado tipo de vírus, pesquisadores da Brown University lançaram uma nova luz sobre essa física em nanoescala. p "O que nos interessou foi que todos na área estudaram o DNA e desenvolveram modelos de como eles interagem com os nanoporos, "disse Derek Stein, professor associado de física e engenharia da Brown que dirigiu a pesquisa. "Mas mesmo as coisas mais básicas que você esperava que os modelos pudessem prever a partir das propriedades básicas do DNA - você não poderia fazer isso. A única maneira de sair dessa rotina era estudar algo diferente."

p As evidências, publicado hoje em Nature Communications , pode não apenas ajudar no desenvolvimento de dispositivos nanopore para sequenciamento de DNA, eles também podem levar a uma nova maneira de detectar patógenos perigosos.

p Endireitando a física

p O conceito por trás do sequenciamento de nanopore é bastante simples. Um buraco de apenas alguns bilionésimos de metro de largura é feito em uma membrana que separa duas poças de água salgada. Uma corrente elétrica é aplicada ao sistema, que ocasionalmente captura uma fita carregada de DNA e a chicoteia através dos poros - um fenômeno chamado translocação. Quando uma molécula se transloca, causa variações detectáveis ​​na corrente elétrica através do poro. Observando cuidadosamente essas variações na corrente, os cientistas podem ser capazes de distinguir nucleotídeos individuais - os A's, C's, G's e T's codificados em moléculas de DNA.

p Os primeiros sequenciadores de nanoporos disponíveis comercialmente podem estar a apenas alguns anos de distância, mas apesar dos avanços na área, surpreendentemente, pouco se sabe sobre a física básica envolvida quando os polímeros interagem com os nanoporos. Isso se deve em parte às complexidades envolvidas no estudo do DNA. Em solução, As moléculas de DNA formam bolas de rabiscos aleatórios, o que torna a compreensão de seu comportamento físico extremamente difícil.

p Por exemplo, os fatores que governam a velocidade da translocação do DNA não são bem compreendidos. Às vezes, as moléculas passam rapidamente por um poro; outras vezes eles deslizam mais devagar, e ninguém entende completamente por quê.

p Uma possível explicação é que a configuração irregular do DNA faz com que cada molécula experimente diferenças no arrasto à medida que é puxada pela água em direção ao poro. "Se uma molécula está amassada próximo ao poro, tem uma distância menor para viajar e experimenta menos resistência, "disse Angus McMullen, estudante de graduação em física na Brown e principal autor do estudo. "Mas se for esticado, sentiria um arrasto ao longo de todo o comprimento e isso faria com que fosse mais lento."

p O efeito de arrasto é impossível de isolar experimentalmente usando DNA, mas o vírus que McMullen e seus colegas estudaram ofereceu uma solução.

p Os pesquisadores analisaram fd, um vírus inofensivo que infecta e. bactérias coli. Duas coisas tornam o vírus um candidato ideal para estudo com nânporos. Primeiro, Os vírus fd são todos clones idênticos uns dos outros. Segundo, ao contrário do DNA ondulado, o vírus fd é um stiff, molécula em forma de bastonete. Porque o vírus não se enrola como o DNA, o efeito do arrasto em cada um deve ser essencialmente o mesmo todas as vezes.

p Com o arrasto eliminado como fonte de variação na velocidade de translocação, os pesquisadores esperavam que a única fonte de variação seria o efeito do movimento térmico. As minúsculas moléculas de vírus chocam-se constantemente com as moléculas de água nas quais estão imersas. Alguns chutes térmicos aleatórios vindos da retaguarda acelerariam o vírus ao passar pelo poro. Alguns chutes pela frente o retardariam.

p Os experimentos mostraram que, embora o movimento térmico explicasse grande parte da variação na velocidade de translocação, não explica tudo. Para surpresa dos pesquisadores, eles encontraram outra fonte de variação que aumentou quando a voltagem através do poro aumentou.

p "Achamos que a física seria cristalina, "disse Jay Tang, professor associado de física e engenharia na Brown e um dos co-autores do estudo. "Você tem este [vírus] rígido com diâmetro e tamanho bem definidos e você esperaria um sinal muito claro. encontramos algumas físicas intrigantes que só podemos explicar parcialmente a nós mesmos. "

p Os pesquisadores não podem dizer com certeza o que está causando a variação que observaram, mas eles têm algumas idéias.

p "Está previsto que, dependendo de onde [um objeto] está dentro do poro, pode ser puxado com mais força ou mais fraco, "McMullen disse." Se for no centro do poro, ele puxa um pouco mais fraco do que se estivesse bem na borda. Isso foi previsto, mas nunca verificado experimentalmente. Isso pode ser uma evidência de que isso está acontecendo, mas ainda estamos fazendo um trabalho de acompanhamento. "

p Em direção a um sequenciador nanopore e muito mais

p Uma melhor compreensão da velocidade de translocação pode melhorar a precisão do sequenciamento de nanopore, McMullen diz. Também seria útil na tarefa crucial de medir o comprimento das fitas de DNA. "Se você pode prever a velocidade de translocação, "McMullen disse, "então você pode facilmente obter o comprimento do DNA pelo tempo de translocação."

p A pesquisa também ajudou a revelar outros aspectos do processo de translocação que podem ser úteis no projeto de dispositivos futuros. O estudo mostrou que a corrente elétrica tende a alinhar os vírus de cabeça para o poro, mas nas ocasiões em que eles não estão alinhados, eles tendem a pular na borda do poro até que o movimento térmico os alinhe para atravessar. Contudo, quando a voltagem ficou muito alta, os efeitos térmicos foram suprimidos e o vírus ficou preso à membrana. Isso sugere um ponto ideal na tensão onde a translocação de cabeça é mais provável.

p Nada disso é observável diretamente - o sistema é simplesmente muito pequeno para ser visto em ação. Mas os pesquisadores puderam inferir o que estava acontecendo observando pequenas mudanças na corrente através do poro.

p "Quando os vírus falham, eles balançam e vemos esses pequenos solavancos na corrente, "Stein disse." Então, com essas pequenas saliências, estamos começando a ter uma ideia do que a molécula está fazendo antes de deslizar. Normalmente, esses sensores são cegos para qualquer coisa que está acontecendo até que a molécula deslize. "

p Isso teria sido impossível de observar usando DNA. A flexibilidade da molécula de DNA permite que ela atravesse um poro em uma configuração dobrada, mesmo que não esteja alinhada de frente. Mas porque o vírus é forte, não pode dobrar para passar. Isso permitiu aos pesquisadores isolar e observar essas dinâmicas de contato.

p "Esses vírus são únicos, "Stein disse." Eles são como pequenos padrões de medida perfeitos. "

p Além de lançar luz sobre a física básica, o trabalho também pode ter outra aplicação. Embora o próprio vírus fd seja inofensivo, as bactérias que infecta - e. coli - não é. Com base neste trabalho, pode ser possível construir um dispositivo nanopore para detectar a presença de fd, e por procuração, e. coli. Outros vírus perigosos - Ebola e Marburg entre eles - compartilham a mesma estrutura em forma de bastonete que o fd.

p "Esta pode ser uma maneira fácil de detectar esses vírus, "Tang disse." Então essa é outra aplicação potencial para isso. "