Usando uma abordagem chamada DNA origami, os cientistas da Caltech desenvolveram uma técnica que poderia levar a sensores de biomarcadores mais baratos e reutilizáveis para detectar rapidamente proteínas em fluidos corporais, eliminando a necessidade de enviar amostras para centros de laboratório para testes.
“Nosso trabalho fornece uma prova de conceito, mostrando um caminho para um método de uma etapa que poderia ser usada para identificar e medir ácidos nucleicos e proteínas”, diz Paul Rothemund (BS ’94), um associado visitante da Caltech na computação e Ciências Matemáticas e Sistemas de Computação e Neural.
Um artigo que descreve o trabalho apareceu recentemente no diário Anais da Academia Nacional de Ciências. Os autores principais do artigo são o ex-estudioso de pós-doutorado da Caltech, Byoung-Jin Jeon, e o atual estudante de graduação Matteo M. Guareschi, que concluiu o trabalho no laboratório de Rothemund.
Em 2006, Rothemund publicou o primeiro artigo sobre DNA origami, uma técnica que fornece controle simples, mas requintado, sobre o design de estruturas moleculares na nanoescala usando nada mais que o DNA.
Essencialmente, o origami do DNA permite que longas fios de DNA se dobrem, através da auto-montagem, em qualquer forma desejada. (No artigo de 2006, Rothemund usou a técnica para criar rostos de Smiley em miniatura de DNA, medindo 100 nanômetros e 2 nanômetros de espessura). Os pesquisadores começam com uma longa fita de DNA, o andaime, em solução. Como as bases nucleotídicas que compõem o DNA se ligam de maneira conhecida (a adenina se liga à timina e a guanina se liga à citosina), os cientistas podem adicionar centenas de sequências curtas de DNA complementar, sabendo que se ligarão ao andaime em ambos os locais em locais conhecidos . Aqueles peças curtas e adicionadas de DNA dobram o andaime e dão a forma, agindo como “grampos” que mantêm a estrutura unida. A técnica pode então ser usada para criar formas que variam de um mapa da América do Norte e do Sul a transistores em nanoescala.
No novo trabalho, Rothemund e seus colegas usaram o DNA origami para criar uma estrutura semelhante a um liliário-uma superfície plana e round de cerca de 100 nanômetros de diâmetro, amarrados por um ligante de DNA a um eletrodo de ouro. Tanto o lilypad quanto o eletrodo têm fios de DNA curtos disponíveis para se ligar a um analito, uma molécula de interesse em solução – seja uma molécula de DNA, uma proteína ou um anticorpo. Quando o analito se liga a esses fios curtos, o Lilypad é puxado para a superfície do ouro, trazendo 70 moléculas repórteres no lilypad (que indicam que a molécula alvo está presente) em contato com a superfície do ouro. Esses repórteres são moléculas reativas redox, o que significa que podem facilmente perder elétrons durante uma reação. Portanto, quando eles ficam suficientemente próximos de um eletrodo, uma corrente elétrica pode ser observada. Uma corrente mais forte indica que mais da molécula de interesse está presente.
Anteriormente, uma abordagem semelhante à fabricação de biossensores period desenvolvida usando uma única fita de DNA em vez de uma estrutura de origami de DNA. Esse trabalho anterior foi liderado por Kevin W. Plaxco (PhD ’94) da UC Santa Barbara, que também é autor do artigo atual.
O Guareschi da Caltech ressalta que o novo Lilypad Origami é grande em comparação com uma única fita de DNA. “Isso significa que ele pode caber 70 repórteres em uma única molécula e mantê -los longe da superfície antes da ligação. Então, quando o analito está ligado e o liliário atinge o eletrodo, há um grande ganho de sinal, facilitando a detecção da mudança”. Guareschi diz.
O tamanho relativamente grande do Lilypad Origami também significa que o sistema pode acomodar prontamente e detectar moléculas maiores, como proteínas grandes. No novo artigo, a equipe mostrou que os dois fios de DNA curtos no Lilypad e a superfície do ouro poderiam ser usados como adaptadores, tornando -o um sensor para proteínas e não para o DNA. No trabalho, os pesquisadores acrescentaram a vitamina biotina aos fios de DNA curtos para transformar o sistema em um sensor para a proteína estreptavidina. Em seguida, eles adicionaram um aptâmero de DNA, uma fita de DNA que pode se ligar a uma proteína específica; Nesse caso, eles usaram um aptâmero que se liga a uma proteína chamada fator de crescimento derivado de plaquetas BB (PDGF-BB), que pode ser usado para ajudar a diagnosticar doenças como cirrose e doença inflamatória intestinal.
“Apenas adicionamos essas moléculas simples ao sistema e está pronto para sentir algo diferente”, diz Guareschi. “É grande o suficiente para acomodar o que você joga nele – que pode ser aptâmeros, nanobodos, fragmentos de anticorpos – e não precisa ser completamente redesenhado toda vez”.
Os pesquisadores também mostram que o sensor pode ser reutilizado várias vezes, com novos adaptadores adicionados a cada rodada para diferentes detecções. Embora o desempenho se degreza ligeiramente ao longo do tempo, o sistema atual pode ser reutilizado pelo menos quatro vezes.
No futuro, a equipe espera que o sistema também possa ser útil para proteômica – estudos que determinam o que as proteínas estão em uma amostra e em quais concentrações. “Você pode ter vários sensores ao mesmo tempo com analitos diferentes e, em seguida, pode lavar, trocar os analitos e lembrar. E você pode fazer isso várias vezes”, diz Guareschi. “Dentro de algumas horas, você pode medir centenas de proteínas usando um único sistema”.
Autores adicionais do artigo, “Detecção eletroquímica modular de DNA de DNA de DNA e proteínas”, são Jaimie M. Stewart, da UCLA; Emily Wu e Ashwin Gopinath, do MIT, Netzahualcóyotl Arroyo-Currás da Faculdade de Medicina da Universidade Johns Hopkins, Philippe Dauphin-Ducharme da Université de Sherbrooke no Canadá; e Philip S. Lukeman, da St. John’s College, em Nova York.
A equipe usou equipamentos de fabricação no Kavli Nanocience Institute da Caltech. O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pelo Escritório de Pesquisa Naval, pela Nationwide Science Basis e pela Life Sciences Analysis Basis, apoiada pelos Merck Analysis Laboratories.
