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Estudar como moléculas de DNA individuais se comportam nos ajuda a entender melhor os distúrbios genéticos e a projetar melhores medicamentos. Até agora, no entanto, examinar moléculas de DNA uma por uma era um processo lento. Biofísicos da Universidade de Tecnologia de Delft e da Universidade de Leiden desenvolveram uma técnica que acelera a triagem de moléculas de DNA individuais pelo menos mil vezes. Com essa tecnologia, eles podem medir milhões de moléculas de DNA em uma semana, em vez de anos a décadas. O estudo agora foi publicado em Ciência.
“DNA, RNA e proteínas são os principais participantes na regulação de todos os processos nas células do nosso corpo”, explica o professor de Leiden John van Noort. “Para entender o (mau) funcionamento dessas moléculas, é essencial descobrir como sua estrutura 3D depende de sua sequência e, para isso, é necessário medi-las uma molécula de cada vez. No entanto, medições de moléculas individuais são trabalhosas e lentas, e o número de possíveis variações de sequência é enorme.”
De décadas para dias
Agora, a equipe de cientistas desenvolveu uma ferramenta inovadora, chamada SPARXS (Single-molecule Parallel Analysis for Rapid eXploration of Sequence space), que permite estudar milhões de moléculas de DNA simultaneamente. “Técnicas tradicionais que permitem que uma sequência seja sondada por vez geralmente levam horas de tempo de medição por sequência. Com o SPARXS, podemos medir milhões de moléculas dentro de um dia a uma semana. Sem o SPARXS, tal medição levaria vários anos a décadas”, diz o professor de Delft Chirlmin Joo.
“O SPARXS nos permite estudar grandes bibliotecas de sequências, fornecendo novos insights sobre como a estrutura e a função do DNA dependem da sequência. Além disso, a técnica pode ser usada para encontrar rapidamente a melhor sequência para aplicações que vão da nanotecnologia à medicina personalizada”, acrescenta a candidata a PhD Carolien Bastiaanssen.
Nunca combinado antes
Para criar sua nova técnica SPARXS, os pesquisadores combinaram duas tecnologias existentes que nunca tinham sido pareadas antes: fluorescência de molécula única e sequenciamento Illumina de última geração. Na primeira técnica, as moléculas são marcadas com um corante fluorescente e visualizadas usando um microscópio sensível. A última técnica lê milhões de códigos de DNA simultaneamente. Joo: “Levou um ano para determinar se a combinação das duas técnicas é viável, mais quatro anos para desenvolver um método funcional e dois anos adicionais para garantir precisão e consistência nas medições enquanto gerencia a vasta quantidade de dados gerados.”
“A parte realmente divertida e interessante começou quando precisávamos interpretar os dados”, diz o primeiro autor Ivo Severins. “Como esses experimentos que combinam medições de moléculas individuais com sequenciamento são completamente novos, não tínhamos ideia de quais resultados obteríamos e poderíamos obter. Foi preciso muita busca nos dados para encontrar correlações e padrões, e para determinar os mecanismos que fundamentam os padrões que vemos.”
Superando desafios de processamento de dados
Outro desafio que eles tiveram que superar foi lidar com a grande quantidade de dados, Van Noort acrescenta: “Tivemos que desenvolver um pipeline de análise automatizado e robusto. Isso foi particularmente desafiador, pois moléculas únicas são frágeis e produzem apenas uma pequena quantidade de luz, tornando os dados inerentemente ruidosos. Além disso, os dados resultantes não fornecem insights diretamente sobre como a sequência afeta a estrutura e a dinâmica do DNA, mesmo para as estruturas de DNA relativamente simples que estudamos. Para realmente testar nossa compreensão, criamos um modelo que incorpora nosso conhecimento da estrutura do DNA e o comparamos com os dados experimentais.”
Avanços médicos
Manipulação e compreensão mais precisas de sequências de DNA provavelmente levarão a avanços em tratamentos médicos, como terapias genéticas mais eficazes e medicina personalizada. Os pesquisadores também preveem inovações biotecnológicas e, no geral, uma melhor compreensão da biologia no nível molecular. Joo: “Esperamos que aplicações em pesquisa genética, desenvolvimento de medicamentos e biotecnologia comecem a surgir dentro dos próximos cinco a dez anos.”
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