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Pinças ópticas manipulam coisas minúsculas como células e nanopartículas usando lasers. Embora possam parecer raios tratores de ficção científica, o fato é que seu desenvolvimento rendeu aos cientistas o Prêmio Nobel em 2018.
Os cientistas já usaram supercomputadores para tornar as pinças ópticas mais seguras para uso em células vivas, com aplicações em terapia de câncer, monitoramento ambiental e muito mais.
“Acreditamos que nossa pesquisa é um passo significativo em direção à industrialização de pinças ópticas em aplicações biológicas, especificamente tanto em cirurgia celular seletiva quanto na administração direcionada de medicamentos”, disse Pavana Kollipara, recém-formada pela Universidade do Texas em Austin. Kollipara foi coautor de um estudo sobre pinças ópticas publicado em agosto de 2023 na Nature Communications, escrito pouco antes de concluir seu doutorado em engenharia mecânica sob a orientação do coautor do estudo, Yuebing Zheng, da UT Austin, o autor correspondente do artigo.
As pinças ópticas prendem e movem pequenas partículas porque a luz tem impulso, que pode ser transferido para uma partícula impactada. A luz intensificada nos lasers amplifica-o.
Kollipara e colegas levaram a pinça óptica um passo adiante, desenvolvendo um método para manter a partícula alvo fria, usando um dissipador de calor e um resfriador termoelétrico. Seu método, chamado de pinça optotermoforética hipotérmica (HOTTs), pode conseguir aprisionamento de baixa potência de diversos colóides e células biológicas em seus fluidos nativos.
Este último avanço pode ajudar a superar problemas com as atuais pinças de luz laser, porque elas queimam demais a amostra para aplicações biológicas.
“A ideia principal deste trabalho é simples”, disse Kollipara. “Se a amostra estiver sendo danificada por causa do calor, apenas esfrie tudo e depois aqueça-a com o feixe de laser. Eventualmente, quando o alvo, como uma célula biológica, fica preso, a temperatura ainda está próxima da temperatura ambiente de 27-34 ° C. Você pode prendê-lo com uma potência de laser mais baixa e controlar a temperatura, removendo assim os fótons ou danos térmicos às células.
A equipe científica testou seu HOTT em glóbulos vermelhos humanos, que são sensíveis às mudanças de temperatura.
“Usando pinças ópticas convencionais, a estrutura celular é danificada e elas morrem imediatamente. Demonstramos que, não importa em que tipo de solução as células estejam dispersas, nossa técnica pode capturá-las e manipulá-las com segurança. Essa foi uma das principais descobertas em o estudo”, disse Kollipara.
Outra descoberta se aplica a aplicações de distribuição de medicamentos. Vesículas plasmônicas, minúsculos bio-recipientes revestidos com nanopartículas de ouro, foram aprisionadas sem serem consideradas movidas para diferentes locais dentro de uma solução, de forma análoga ao direcionamento de medicamentos para um tumor cancerígeno alvo. Assim que atingem o alvo do câncer, eles são atingidos por um feixe de laser secundário para abrir a carga da droga.
“A administração de medicamentos induzida por laser é importante porque podemos focar e administrar medicamentos em um alvo específico. Dessa forma, a quantidade de medicamentos que um paciente consome diminui significativamente e você pode especificar em quais locais pode administrar o medicamento”, acrescentou Kollipara.
Simulações de supercomputadores foram necessárias para calcular magnitudes de força 3D em escala real nas partículas dos campos ópticos, termforéticos e termoelétricos alcançados em uma potência de laser específica. Enquanto estudante de doutorado na UT Austin, Kollipara recebeu alocações no Stampede2 do TACC, um recurso estratégico nacional compartilhado por milhares de cientistas financiado pela National Science Foundation.
“O sistema é tão complexo em termos de requisitos de custo computacional que nossas estações de trabalho locais não conseguem suportá-lo. Precisaríamos executar uma simulação durante dias para obter apenas um ponto de dados, e precisamos de milhares. O TACC nos ajudou em nossa análise e gera resulta em ordens de magnitude mais rápidas do que qualquer outra coisa que temos”, disse Kollipara.
De forma mais ampla e não diretamente para este estudo, a pesquisa de biossensores plasmáticos de Kollipara também utilizou o sistema Lonestar5 da TACC para executar simulações mais extensas. Lonestar5, e agora Lonestar6, atendem especificamente cientistas do Sistema UT por meio da Infraestrutura Cibernética de Pesquisa da Universidade do Texas (UTRC).
“Construir um modelo complicado por si só não é suficiente”, disse Kollipara: “Você precisa garantir que ele esteja funcionando corretamente por meio de experimentação. Os laptops não são suficientes para as necessidades de pesquisa e desenvolvimento intensos. É aí que os recursos de supercomputação como os do TACC ajudar os pesquisadores a impulsionar a pesquisa e o desenvolvimento o mais rápido possível e a acompanhar as necessidades humanas.”
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