Uma equipe de pesquisa interdisciplinar de Bochum, Duisburg e Zurique desenvolveu uma nova abordagem para construir sensores ópticos modulares capazes de detectar vírus e bactérias. Os pesquisadores usaram nanotubos de carbono fluorescentes com um novo tipo de âncoras de DNA que atuam como alças moleculares.



As estruturas âncora podem ser usadas para conjugar unidades de reconhecimento biológico, como aptâmeros de anticorpos, aos nanotubos. A unidade de reconhecimento pode posteriormente interagir com moléculas bacterianas ou virais nos nanotubos. Essas interações afetam a fluorescência dos nanotubos e aumentam ou diminuem seu brilho.

Uma equipe composta pelo professor Sebastian Kruss, Justus Metternich e quatro colegas de trabalho da Ruhr University Bochum (Alemanha), do Instituto Fraunhofer de Circuitos e Sistemas Microeletrônicos e da ETH Zurich relatou suas descobertas no Journal of the American Chemical Society , publicado on-line em 27 de junho de 2023.

Personalização simples de biossensores de nanotubos de carbono

A equipe usou nanossensores tubulares feitos de carbono e com diâmetro inferior a um nanômetro. Quando irradiados com luz visível, os nanotubos de carbono emitem luz na faixa do infravermelho próximo. A luz infravermelha próxima não é visível ao olho humano. No entanto, é perfeito para aplicações ópticas, porque o nível de outros sinais nesta faixa é altamente reduzido.

Em estudos anteriores, a equipe de Sebastian Kruss já havia mostrado como a fluorescência dos nanotubos pode ser manipulada para detectar biomoléculas vitais. Agora, os pesquisadores procuraram uma maneira de personalizar os sensores de carbono para uso com diferentes moléculas-alvo de maneira simples.

A chave do sucesso foram estruturas de DNA com os chamados defeitos quânticos de guanina. Isso envolveu a ligação de bases de DNA ao nanotubo para criar um defeito na estrutura cristalina do nanotubo. Como resultado, a fluorescência dos nanotubos mudou no nível quântico. Adicionalmente, o defeito funcionou como um identificador molecular que permitiu introduzir uma unidade de detecção, que pode ser adaptada à respectiva molécula alvo com a finalidade de identificar uma proteína viral ou bacteriana específica.

“Através da ligação da unidade de detecção às âncoras de ADN, a montagem de tal sensor assemelha-se a um sistema de blocos de construção – excepto que as partes individuais são 100.000 vezes mais pequenas que um fio de cabelo humano”, diz Sebastian Kruss.

Sensor identifica diferentes alvos bacterianos e virais

O grupo apresentou o novo conceito de sensor usando a proteína spike SARS CoV-2 como exemplo. Para isso, os pesquisadores usaram aptâmeros, que se ligam à proteína spike do SARS CoV-2. “Aptâmeros são fitas dobradas de DNA ou RNA. Devido à sua estrutura, eles podem se ligar seletivamente a proteínas”, explica Justus Metternich. “Na próxima etapa, pode-se transferir o conceito para anticorpos ou outras unidades de detecção”.

Os sensores fluorescentes indicaram a presença da proteína SARS-CoV-2 com alto grau de confiabilidade. A seletividade dos sensores com defeitos quânticos de guanina foi maior que a seletividade dos sensores sem tais defeitos. Além disso, os sensores com defeitos quânticos de guanina eram mais estáveis ​​em solução.

"Esta é uma vantagem se você pensar em medições além de simples soluções aquosas. Para aplicações de diagnóstico, temos que medir em ambientes complexos, por exemplo, com células, no sangue ou no próprio organismo", diz Sebastian Kruss, que dirige o Departamento de Interfaces Funcionais e Biosystems Group da Ruhr University Bochum e é membro do Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) e da International Graduate School of Neuroscience.

Mais informações: Justus T. Metternich et al, Near-Infrared Fluorescent Biosensors Based on Covalent DNA Anchors, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03336
Informações do diário: Jornal da Sociedade Americana de Química

Fornecido por Ruhr-Universitaet-Bochum