Nova plataforma de nanoporos acoplados oferece maior precisão para detecção de moléculas

“Como sistemas vivos complexos, provavelmente temos trilhões e trilhões de pequenos orifícios nanoscópicos em nossas células que facilitam e regulam os processos cruciais que nos mantêm vivos e constituem quem somos”, diz Marija Drndić, física da Universidade da Pensilvânia que desenvolve versões sintéticas dos poros biológicos que “guiam a troca de íons e moléculas por todo o corpo”.

A capacidade de controlar e monitorar o fluxo de moléculas através desses poros abriu novos caminhos para a pesquisa nas últimas duas décadas, de acordo com Drndić, e o campo dos nanoporos sintéticos, onde materiais como grafeno e silício são perfurados com pequenos orifícios, já levou a avanços significativos no sequenciamento de DNA.

Em um artigo publicado em Natureza NanotecnologiaDrndić e Dimitri Monos, seu colaborador de longa data na Escola de Medicina Perelman e no Hospital Infantil da Filadélfia (CHOP), apresentaram um novo tipo de tecnologia de nanoporos com o desenvolvimento de um sistema de nanoporos de camada dupla: um design que consiste em dois ou mais nanoporos, empilhados a apenas nanômetros de distância, o que permite detecção e controle mais precisos de moléculas como o DNA à medida que passam.

“Com as plataformas atuais, quando moléculas como o DNA são colocadas nos nanoporos, é como espaguete em uma panela: emaranhado e difícil de trabalhar, quanto mais passar por um único furo”, diz Monos.

Normalmente, os pesquisadores precisam usar proteínas para desenrolá-lo e endireitá-lo, o que, embora eficaz, tem muitas limitações devido à degradação que leva à redução da sensibilidade e à vida útil operacional mais curta, diz ele.

“Mas com esse novo design”, diz Monos, “estamos essencialmente guiando moléculas através de dois nanoporos acoplados no material, proporcionando uma passagem controlada e mais suave das moléculas e tornando-as mais fáceis de detectar e analisar”.

Os pesquisadores chamam essa nova plataforma de GURU para indicar que “é uma maneira guiada e reutilizável” de estudar moléculas, o que confere alguns benefícios importantes, principalmente a capacidade de avaliar melhor o comprimento e a conformação das moléculas à medida que passam pelos nanoporos.

“Como sabemos a distância precisa entre os dois nanoporos, podemos usá-lo como uma espécie de régua”, diz Drndić, “comparando os sinais para determinar o comprimento exato do DNA que passa”. Este sistema oferece aos pesquisadores um nível de controle sem precedentes, permitindo que eles meçam propriedades moleculares com mais precisão do que nunca.

Essa resolução aumentada fornece uma imagem mais clara da forma e da estrutura das moléculas, incluindo DNA, RNA e proteínas.

Diferentemente dos sistemas tradicionais de poro único, o GURU permite tempos maiores na zona de detecção, o que aprimora o processo de detecção, e um dos resultados mais intrigantes dessa desaceleração é a descoberta de padrões de sinal exclusivos em formato das letras “W” e “T”, uma característica que o pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor do artigo, Chih-Yuan (Scottie) Lin, observou pela primeira vez.

“Esses padrões correspondem à maneira como as moléculas interagem com o sistema de poros duplos”, diz Lin. “Quando medimos sinais que parecem um ‘W’, é porque a molécula está se envolvendo com os nanoporos inferiores e superiores em sequência, refletindo como ela entra no poro inferior, sai ligeiramente e então se envolve novamente com a camada superior.”

Esse padrão fornece aos pesquisadores informações detalhadas sobre a passagem da molécula pelo sistema, revelando suas interações com cada camada.

O sinal em forma de T, diz Lin, ocorre quando uma molécula é longa o suficiente para bloquear ambos os nanoporos simultaneamente, dando uma indicação clara de seu comprimento total. “Esses sinais nos fornecem dados em tempo real sobre o comprimento e a posição da molécula.”

À medida que as equipes continuam a refinar seu sistema, elas acreditam que isso pode levar a tecnologias de sequenciamento mais eficientes, precisas e econômicas, que superam as limitações dos atuais sistemas de nanoporos baseados em proteínas.

“O que realmente consolidou nossa colaboração foi o objetivo compartilhado de melhorar a tecnologia de sequenciamento, particularmente para aplicações como genes de antígeno leucocítico humano (HLA) que exigem longas leituras de DNA”, diz Monos. Como diretor do Laboratório de Imunogenética do CHOP, ele trabalha extensivamente com genes HLA, que são cruciais para a compatibilidade do sistema imunológico no transplante de órgãos.

“Os genes HLA estão entre as regiões mais complexas do genoma humano, e o sequenciamento preciso de leitura longa é essencial para entender suas variações”, diz Monos. “É aí que a tecnologia nanopore como a GURU entra; ela oferece o potencial para sequenciamento mais preciso e abrangente nessa área desafiadora.”

Ao eliminar a necessidade de proteínas e criar um sistema puramente de estado sólido, seus esforços conjuntos produziram uma plataforma que não apenas avança o campo da tecnologia de nanoporos, mas também abre novas possibilidades para aplicações clínicas.

“Os problemas que estamos tentando resolver com nanoporos, como sequenciamento de DNA e detecção molecular, exigem expertise de pessoas de todos os lugares”, diz Drndić, “não se trata apenas de física ou ciência dos materiais. Precisamos da contribuição de biólogos para entender as moléculas, químicos para ajudar com as reações e profissionais médicos para ver as aplicações no mundo real.”