O DNA pode fazer mais do que passar o código genético de uma geração para a seguinte. Há quase 20 anos, os cientistas sabem da capacidade da molécula de estabilizar aglomerados de átomos de prata de tamanho nanométrico. Algumas dessas estruturas brilham visivelmente em vermelho e verde, tornando-as úteis em uma variedade de aplicações químicas e de biossensor.



Stacy Copp, professora assistente de ciência e engenharia de materiais da UCI, queria ver se as capacidades desses minúsculos marcadores fluorescentes poderiam ser ampliadas ainda mais - na faixa do infravermelho próximo do espectro eletromagnético - para dar aos pesquisadores de biociências o poder de ver através da vida. células e até centímetros de tecido biológico, abrindo portas para métodos aprimorados de detecção e tratamento de doenças.

“Há um potencial inexplorado para estender a fluorescência por nanoaglomerados de prata estabilizados por DNA para a região do infravermelho próximo”, diz ela. "A razão pela qual isso é tão interessante é porque nossos tecidos e fluidos biológicos são muito mais transparentes à luz infravermelha próxima do que à luz visível."

Copp diz que cientistas e engenheiros têm procurado novas maneiras de escanear tecidos corporais para evitar os efeitos colaterais mutantes dos raios X ou de fazer com que os pacientes ingiram radionuclídeos para detectar tumores. “Há muitas razões pelas quais seria interessante usar luz infravermelha próxima não invasiva e não perigosa, que é basicamente calor”, diz ela. "Mas um dos maiores desafios é que não temos fluoróforos bons e não tóxicos - moléculas ou nanopartículas que emitem essa luz infravermelha próxima."

As pessoas estão cientes dos poderes antimicrobianos da prata desde os tempos antigos. O elemento mata bactérias, mas é benigno para a maioria das células de mamíferos; é até usado para combater odores em alguns tecidos que os humanos usam. Copp diz que estudos recentes demonstraram que os nanoaglomerados de prata estabilizados com ADN têm baixa citotoxicidade e que o ADN é inerentemente biocompatível – o que torna estes compostos potencialmente seguros para utilização num ambiente clínico.

Tal como acontece com muitas coisas relacionadas com o ADN, existe uma quantidade quase incompreensível de permutações de sequências, das quais apenas um pequeno subconjunto possui as qualidades fluorescentes que os investigadores procuram. Enquanto estava na UC Santa Bárbara, Copp fez parte de uma equipe que projetou um instrumento que pode escanear rapidamente centenas de nanoaglomerados de prata por vez para ver se eles têm emissão no infravermelho próximo. Com esta ferramenta, os cientistas conseguiram encontrar um grande número de sequências candidatas anteriormente ocultas.

Em seu laboratório no Edifício Interdisciplinar de Ciência e Engenharia Susan e Henry Samueli da UCI, Copp iniciou um projeto com Peter Mastracco, seu primeiro doutorado. estudante, para aproveitar os novos dados que conectam sequências de DNA às cores dos nanoaglomerados, que Copp diz comparar a um "genoma de nanoaglomerados". Ela pediu à Mastracco que desenvolvesse um método de aprendizado de máquina que pudesse ajudá-los a analisar montanhas de dados experimentais para chegar a novas sequências de DNA – aquelas capazes de serem criadas em laboratório – que abrem o acesso à região do infravermelho próximo.

No início do projeto, Mastracco encontrou um artigo de pesquisa mostrando a estrutura cristalina de raios X de um nanoaglomerado de prata estabilizado por DNA. “Isso literalmente nos deu uma imagem de onde estão todos os átomos de prata e como o DNA está dobrado em torno do nanoaglomerado”, diz Copp. "E ele percebeu algo que eu não tinha notado antes, que é que o DNA se dobrava em torno do nanoaglomerado de uma maneira particular."

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que, se codificassem informações sobre essa peculiaridade de dobramento em seus modelos de aprendizado de máquina, poderiam ser capazes de prever a cor fluorescente dos nanoaglomerados.

Parte do doutorado de Mastracco. o treinamento no grupo de Copp era para se tornar um mentor. No verão de 2020 – um pico inicial da pandemia de COVID-19 – ele foi acompanhado por Josh Evans, um estudante do Chaffey College, uma faculdade comunitária com campi no Inland Empire, na Califórnia.

Segundo Copp, Evans idealizou uma forma criativa de interpretar com mais clareza os resultados dos modelos de Mastracco. “Alguns desses algoritmos podem funcionar como uma caixa preta”, diz Copp. "Você fornece um conjunto de dados ao algoritmo de aprendizado de máquina e ele aprende as tendências desses dados, o que ajuda a fazer previsões. Mas pode ser realmente difícil abrir a tampa para descobrir o que está acontecendo na caixa."

Evans ajudou a resolver este problema usando uma “ferramenta de seleção de características” que permitiu à equipe determinar que parte da sequência de DNA estava correlacionada com as diferentes cores de fluorescência dos nanoaglomerados.

Copp diz que a descoberta se tornou uma contribuição essencial para um artigo de pesquisa – com Mastracco como autor principal – que foi publicado na revista ACS Nano .

O trabalho no grupo de pesquisa Copp sobre nanoaglomerados fluorescentes continua em ritmo acelerado. Recentemente, eles publicaram um segundo artigo sobre o assunto no Journal of the American Chemical Society , este liderado pelo Ph.D. a estudante Anna Gonzalez Rosell, que orientou o coautor de graduação da UCI, Nery Arevalos.

"O artigo representa um avanço importante no desenvolvimento de nanoaglomerados verdadeiramente biocompatíveis para imagens no infravermelho próximo", diz Copp. "Vários dos meus alunos trabalharam nesses artigos, e a orientação de graduação desempenhou um papel vital nos projetos. É um acordo que funciona incrivelmente bem em termos de entrega de resultados de pesquisa e de ajudar jovens cientistas a atingirem seus objetivos."

Mais informações: Peter Mastracco et al, Aprendizado de máquina informado por química permite a descoberta de nanoaglomerados de prata estabilizados por DNA com fluorescência no infravermelho próximo, ACS Nano (2022). DOI:10.1021/acsnano.2c05390
Anna Gonzàlez-Rosell et al, Ligantes de cloreto em nanoaglomerados de prata estabilizados por DNA, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c01366

Informações do diário: Jornal da Sociedade Americana de Química , ACS Nano

Fornecido pela Universidade da Califórnia, Irvine