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Cientistas moldam DNA em coração, ursinho-de-pelúcia e até em uma imagem da Mona Lisa


Quatro grupos diferentes de pesquisadores anunciaram recentemente um grande avanço ao construírem variados formatos a partir de material genético. Novas técnicas podem agora moldar o DNA - a molécula de dupla hélice que carrega e codifica os genes (1) - em objetos diversos até 20 vezes maiores do que anteriormente alcançado. Somando-se a isso, um estudo ainda mais recente publicado na Science (Ref.4) mostrou que pesquisadores conseguiram moldar moléculas únicas de DNA e de RNA em objetos simples, como corações e rombos.



Nanoestruturas criadas a partir de dobras estilo origami, utilizando ácidos nucleicos (DNA e RNA), são geralmente formadas pela interação entre os nucleotídeos via ligações intermoleculares das bases nitrogenadas (ligações de hidrogênio principalmente, assim como as estruturas quartenárias de proteínas - ou mesmo de DNA - são formadas a partir de polipeptídeos) entre múltiplas cadeias. O auto-arranjo de polímeros - como o DNA e os polipeptídeos - em partículas compactas com definidas estrutura e função é fundamental para a biologia e também atrai grande potencial para o uso em nanotecnologias.

Nesse sentido, cientistas têm tentado fazer formas variadas a partir de DNA desde a década de 1980, com esses esforços mostrando reais resultados em 2006, com a invenção de uma técnica de dobradura conhecida como 'DNA origami'. A técnica consiste em pegar uma longa cadeia de DNA - chamada de 'andaime' - que possui uma sequência precisa dos quatro nucleotídeos compartilhados por praticamente todos os organismos vivos da Terra: A, G, C e T - e ir adicionando fitas complementares de cadeias de DNA nesse andaime - chamadas de 'grampos' - de acordo com as sequências, para a construção de estruturas específicas e visadas. Uma segunda versão da tecnologia, introduzida em 2012, usa apenas pequenos pedaços de DNA - sem 'andaimes' - que vão montando o "origami" como peças de lego que podem ser unidas.

Com essas técnicas de dobraduras, pesquisadores na área de nanotecnologia já foram capazes de produzir e inserir objetos feitos de DNA em plásticos, metais e outros materiais componentes de penas minúsculas máquinas, eletrônicos e dispositivos fotônicos. Porém, o tamanho de objetos convencionais de DNA sempre foi muito limitado, a no máximo cerca de 100 nanômetros - vírus geralmente possuem de 20 a 300 nanômetros. Quando tentavam fazê-los maiores, as estruturas obtidas se tornavam muito falhas ou impossibilitadas de realizarem mais conexões.

Agora, grupos científicos da Califórnia, Massachusetts e da Alemanha reportaram, em publicações recentes na Nature (Ref.1-3), reportaram que eles conseguiram fazer objetos de DNA a partir de novas otimizações nas técnicas de dobradura. Os pesquisadores Alemães modificaram a técnica tradicional, usando-a para criar módulos rígidos de DNA com formatos pré-programados que podem se unir com outras cópias para a construção de formas específicas. Em um exemplo, eles conseguiram, em solução, criar cones com cerca de 300 nanômetros de extensão. Essa nova técnica permite a criação de vários objetos, incluindo dodecaedros de 440 nanômetros de extensão.


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Já os pesquisadores de Massachusetts modificaram a técnica 'lego' - criada por eles em 2012 e com a liderança de Peng Yin, um biólogo de sistemas da Universidade de Havard do Instituto Wyss em Boston - para fazer mais complexas estruturas. Na técnica original, cada tijolo do tipo 'lego' tinha um "ligador" medindo 8 nucleotídeos de extensão que se conectava com os tijolos vizinhos. A nova otimização usa ligadores de 13 nucleotídeos cada. Com isso, foi possível criar um bloco composto de 33 mil tijolos e 1,7 milhões de nucleotídeos de DNA. Ao retirarem tijolos do centro desse bloco, os pesquisadores também criaram formas variadas, de relógios de areia até ursinhos de pelúcia. Apesar dessas estruturas ocas não serem ainda úteis, a técnica permite a habilidade de construir sistemas nanométricos altamente complexos.


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Já os cientistas na Califórnia criaram um processo de agrupamento baseado em multi-estágios, permitindo a construção de estruturas de origami contendo pixels que aparecem em diferentes sombras quando vistos com um microscópio de força atômica. Arranjando essas estruturas, os pesquisadores foram capazes de renderizar uma imagem da Mona Lisa composta de mais de 8700 pixels e medindo 0,5 micrômetros em um lado (500 micrômetros), entre outras.


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Bem, esses foram grandes avanços em termos de manipular o DNA, mas também é bom lembrarmos de outro ácido nucleico: o RNA. Em anos recentes, o RNA tem também emergido como um material programável e único, oferecendo distintas vantagens para as técnicas de dobradura. Nesse sentido, pesquisadores em um estudo publicado na Science, mostraram que grandes origamis (acima de 10 mil nucleotídeos para o DNA e 6 mil nucleotídeos para o RNA) podem ser criados em formas simples, como um rombo ou um coração, e com uma inovação: usando uma única cadeia, não recortes juntos!

Tipicamente, macromoléculas biológicas, como as proteínas, conseguem arquitetar formas tridimensionais com um único polímero em uma bem definida compacta estrutura. O desafio chave em construir estruturas usando apenas um única cadeia de ácido nucleico é ativar complexidade estrutural, programabilidade e generalidade enquanto mantendo a simplicidade topológica das tranças de nucleotídeos (para evitar armadilhas cinética putativas impostas por nós) e, portanto, assegurando uma suave dobradura. Com isso em mente, os pesquisadores do novo estudo usaram cadeias duplas parcialmente complementadas de DNA ou RNA e coesões paralelas para construir estruturas complexas e livres de nós.



"Brincando" com o nosso material genético e ficando cada vez mais habilidosos nas dobraduras, os cientistas muito em breve tiraram esses origamis do campo da curiosidade para torná-los parte de nanotecnologias revolucionários, especialmente no campo da medicina. Robôs de DNA capazes de andar sobre superfícies, sofisticados dispositivos do tamanho de bactérias e estruturas nanométricas que simulam a forma de vírus diversos são apenas alguns dos novos 'brinquedos' possíveis com essa cada vez mais avançada tecnologia.



(1) Para melhor entender a estrutura do DNA e as funções do seu alfabeto (A, G, C e T), além de conhecer duas novas letras artificiais criadas com sucesso (X e Y), acesse o artigo: Brincando de Deus: Cientistas finalmente conseguiram expandir o alfabeto genético e agora estão criando novas formas de vida

Matéria Recomendada: Cientistas criam uma super lente capaz de ver até os menores vírus


Referências:
1. https://www.nature.com/articles/nature24651
2. https://www.nature.com/articles/nature24648
3. https://www.nature.com/articles/nature24655
4. http://science.sciencemag.org/content/358/6369/eaao2648
5. http://www.sciencemag.org/news/2017/12/scientists-shape-dna-doughnuts-teddy-bears-and-image-mona-lisa
Cientistas moldam DNA em coração, ursinho-de-pelúcia e até em uma imagem da Mona Lisa Cientistas moldam DNA em coração, ursinho-de-pelúcia e até em uma imagem da Mona Lisa Reviewed by Saber Atualizado on dezembro 24, 2017 Rating: 5

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