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NANO”TRANSFORMERS” FEITOS A PARTIR DE ORIGAMI DE DNA PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS

NANO”TRANSFORMERS” FEITOS A PARTIR DE ORIGAMI DE DNA PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS

Edição Vol. 2, N. 06, 12 de Janeiro de 2015

DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2015.01.14.002

O projeto é o primeiro a provar que os mesmos princípios básicos de design que se aplicam a peças de máquina de tamanho normal típicas também podem ser aplicados ao DNA e podem produzir componentes controláveis complexos para futuras nano-robôs.

Todos já ouvimos falar, alguma vez sobre os origamis. Origamis (do japonês: 折り紙, de oru, “dobrar”, e kami, “papel”) é a arte tradicional e secular japonesa de dobrar o papel, criando representações de determinados seres ou objetos com as dobras geométricas de uma peça de papel, sem cortá-la ou colá-la (Figura 1). Imagine, agora, brincar de origami utilizando o DNA, a molécula que guarda a informação genética de todos os seres. Calma, não serão usados os DNAs das células vivas que estão dentro das pessoas, pelo menos por enquanto. São DNAs tirados das células e DNAs sintéticos, produzidos in silico, produzidos artificialmente. E esses DNAs serão a base para a construção de nanorobôs que poderão consertar as moléculas dentro das células, como no câncer por exemplo, ou matar seres invasores estranhos ao nosso organismo, como bactérias e vírus!

nanotransformers

Figura 1: Um origami de elefante a partir de uma nota de dólar.

Em um artigo publicado em janeiro de 2015 na revista científica PNAS, engenheiros mecânicos da Universidade do Estado de Ohio, EUA, descrevem como usaram uma combinação de DNA natural e sintética em um processo chamado de “origami de DNA” para construir máquinas que podem executar tarefas repetidamente.

A natureza tem produzido máquinas moleculares incrivelmente complexas em escala nanométrica, como os ribossomos (que produzem proteínas), os centríolos (que formam espécies de “cordas” e dividem as células em duas partes iguais) (1, 2) (veja mais em http://www.nanocell.org.br/explorando-a-primeira-celula-artificial-com-organelas-funcionais/), e um dos principais objetivos da bionanotecnologia é reproduzir sinteticamente a sua função. Onde a maioria dos grupos de pesquisa aborda este problema de um ponto de vista biomimético, ou seja, imitando a estrutura de um sistema biológico, o grupo do professor Dr. Carlos Castro, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade do Estado de Ohio, nos EUA decidiu explorar o campo bem estabelecido de design de máquinas macroscópicas, ou grandes, para a sua inspiração.

Em essência, eles estão usando um sistema biomolecular para imitar sistemas de engenharia em grande escala para atingir o mesmo objetivo, o de desenvolver máquinas moleculares.

Em última análise, a tecnologia poderia criar nanorobôs complexos para entregar medicamentos no interior das células do corpo ou realizar medições biológicas em nanoescala, entre muitas outras aplicações. Como o filme, os “Transformers”, uma máquina de origami de DNA poderia mudar de forma para diferentes tarefas (Figura 2) (3).

nanotransformers2

Figura 2: Pesquisadores da Universidade do Estado de Ohio são o primeiro grupo a provar que os mesmos princípios básicos de design que se aplicam a peças típicas de máquinas grandes, de tamanho normal, também pode ser aplicado ao DNA _ e podem produzir, componentes controláveis complexos para a futura construção de nanorobôs, como os Transformers. Clique no link https://www.youtube.com/watch?v=2bVdv1blSqI do filme para ver em funcionamento uma máquina feita de quatro “pranchas” de DNA e dobradiças que se abrem e fecham. Crédito: Universidade do Estado de Ohio (3).

Seria possível, finalmente, construir algo como um sistema de Transformers, embora talvez não exatamente como nos filmes. Eu penso nisso mais como uma máquina de nano que pode detectar sinais, como a ligação de uma biomolécula, informações do processo com base nesses sinais, e, em seguida, responder de acordo, talvez através da geração de uma força ou mudando de forma.

O método de origami de DNA para fazer nanoestruturas tem sido amplamente utilizado desde 2006, e agora é um procedimento padrão para muitos laboratórios que estão desenvolvendo futuros sistemas de entrega de drogas e eletrônicos. Trata-se de fazer longas cadeias de DNA e forçando-os a dobrar em diferentes formas, então protegendo certas partes do conjunto com “grampos” feitos de fitas de DNA mais curtas. A estrutura resultante é suficientemente estável para executar uma tarefa simples, tal como carregar uma pequena quantidade de medicamento no interior de uma estrutura de DNA semelhante a um container, ou uma caixa, e abri-la para liberar o medicamento.

Para criar nanomáquinas mais complexas que poderiam executar tais tarefas repetidamente, o professor Castro juntou-se com o Dr. Haijun Su, também professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade do Estado de Ohio. Combinadas, as duas equipes de pesquisa têm experiência em nanotecnologia, biomecânica, engenharia de máquinas e robótica.

Há duas chaves para a abordagem única, utilizada na pesquisa, para projetar e controlar o movimento das máquinas. A primeira envolve em tornar algumas partes da estrutura flexível. Eles fazem partes flexíveis a partir de DNA de fita simples e as partes mais duras do DNA são de cadeia dupla (3).

A segunda chave envolve “ajustar” as estruturas de DNA para que os movimentos das máquinas sejam reversíveis e repetitivos. Os pesquisadores pontuam suas estruturas com cadeias de DNA sintético que penduram para fora as bordas, como o toldo de um telhado. Ao invés de juntar partes da máquina em um conjunto de forma permanente, estas cadeias são projetadas para agirem como tiras de gancho e laço, elas se juntam ou descolam dependendo de sinais químicos que envolvem a máquina.

No laboratório, os autores pegaram longos filamentos de DNA a partir de um bacteriófago _ um vírus que infecta bactérias e é inofensivo para os seres humanos _ e grampeou eles juntamente com cadeias curtas de DNA sintético (3).

  Primeiro, eles juntaram duas “pranchas” duras de DNA com grampos flexíveis ao longo de uma borda para criar uma dobradiça simples. É como comparar o processo de ligar duas pranchas de madeiras 2×4 com peças muito curtas, de corda ao longo da borda de 10 centímetros em uma extremidade.

Eles também construíram um sistema que move um pistão dentro de um cilindro. Essa máquina utiliza cinco pranchas, três dobradiças e dois tubos de diferentes diâmetros _ todos feitos de pedaços de DNA de cadeia dupla e de cadeia simples.

Para testar se as máquinas estavam se movendo corretamente, eles as fotografaram com microscopia eletrônica de transmissão. Eles também marcaram o DNA com marcadores fluorescentes, de modo que pudessem observar as alterações de forma com um espectrofluorímetro. Os testes confirmaram que as dobradiças se abriram e fecharam e o pistão era movido para trás e para frente e que os pesquisadores poderiam controlar o movimento com a adição de sinais químicos na solução, tais como cadeias complementares de DNA.

Esta abordagem de projetar juntas simples e conectá-las em conjunto para tornar os sistemas de trabalho mais complexos é comum em projetos de máquinas grandes, mas esta é a primeira vez que se fez com o DNA e a primeira vez que alguém modificou o DNA para produzir uma atuação reversível de um mecanismo complexo.

A equipe agora está trabalhando para expandir o desenho de mecanismos para melhorar as máquinas, e eles também tentarão aumentar a produção das máquinas para um maior desenvolvimento.

Referências

1. Medeiros RVB, Resende RR. COMO FAZER UMA CÉLULA ANIMAL COMESTÍVEL E EM 3D SEM USAR GELATINA. Nanocell News. 2014 12/23/2014;2(5). Epub 12/21/2014.

2. Tonelli FCP, Resende RR. EXPLORANDO A PRIMEIRA CÉLULA ARTIFICIAL COM ORGANELAS FUNCIONAIS. Nanocell News. 2014 02/20/2014;1(7). Epub 02/20/2014.

3. Marras AE, Zhou L, Su H, Castro CE. Programmable motion of DNA origami mechanisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Jan 5. PubMed PMID: 25561550. Epub 2015/01/07. Eng.

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