O DNA visto de perto
(02/20/2013)

By: Agnese Callegari

Nós já sabemos bastante sobre o nosso código genético, o DNA. Conhecemos sua composição, sua estrutura, e sua função. Entretanto, ainda não conseguimos observar diretamente a famosa dupla hélice. Com a utilização de avançadas técnicas de microscopia, atualmente é possível observar, de fato, as distorções primárias da cadeia de DNA.


DNA em uma gota, sobre uma superfície super-hidrofóbica. Visão artística do processo de evaporação: a água não consegue se fixar à superfície super-hidrofóbica, enquanto que as cadeias de DNA permanecem suspensas e tensas. Créditos da imagem: E. di Fabrizio et al.

Exemplo de um padrão de difração. Vista do espaço das Ilhas Sandwich, no Oceano Pacífico. É possível observar claramente o padrão de difração formado pelas ondas quando elas se chocam com as ilhas emergentes. Créditos da imagem: Observatório da Nasa.

Imagem de MET de uma cadeia de DNA. Imagem de uma cadeia de DNA obtida através de um Microscópio Eletrônico de Transmissão. É possível observar o padrão periódico das distorções. Créditos da imagem: E. di Fabrizio et al.

DNA. A molécula da vida. Sabemos muito sobre ela. O
DNAdesempenha um papel central na reprodução e evolução de organismos vivos. Ele consiste em uma molécula em formato de dupla hélice, cuja estrutura ainda não conseguimos observar diretamente. Um grupo de cientistas italianos do IIT (Instituto Italiano de Tecnologia), em Gênova, do IMEM-CNR, em Parma, e da Universidade de Magna Graecia, em Catanzaro, liderados por Enzo di Fabrizio, obteve uma imagem direta da cadeia de DNA, mostrando, em altíssima definição, suas distorções periódicas.

A abordagem clássica para determinar a organização espacial da molécula de DNA é baseada em padrões de difração de raios-X dos cristais de DNA. Os métodos de difração são difíceis de compreender para não profissionais, pois são indiretos e requerem muita análise de dados a fim de produzirem uma imagem de um objeto. Imagine que você está em uma ponte e quer saber se há pedras sob a superfície da água. É possível deduzir de acordo com o padrão formado pelas ondas na superfície da água — aliás, é possível reconstruir o formato das pedras através do padrão de difração. Ou, você pode simplesmente olhar para as próprias pedras.

No caso do DNA, a análise dos padrões de difração é uma técnica muito eficaz, criteriosa e confiável para revelar suaestrutura — e a estrutura da maioria das moléculas, inclusive. A receita é a seguinte. Primeiro, cria-se o cristal de DNA a partir de um material genético. Em seguida, irradia-se o cristal comraios-X, coletando a radiação dispersada,que formaumpadrão de difração devido à superposiçãode toda a radiação dispersada. Por fim, a estrutura molecular compatível comopadrão de difração medido deve ser reconstruída. Com esse método, J. Watson e F. Crick descobriram a dupla hélice, em 1956 [1] – uma descoberta que lhes rendeu o Prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina em 1962. Seja como for, observar o DNA diretamente seria uma forma mais precisa de saber mais sobre suas propriedades. Afinal, precisamos ver para crer.

Não é possível obter uma imagem de DNA com uma câmera digital comum, pois os traços da molécula de DNA são extremamente pequenos: eles estão em escala atômica. Isso é muito menor que o comprimento da onda de luz visível, que é o que determina o limite de resolução de uma câmera. A onda de luz visível possui muitas centenas de nanômetros de comprimento –  o comprimento de milhares e milhares de átomos enfileirados. Portanto, di Fabrizio e seus colegas utilizaram uma técnica conhecida como Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET), que utiliza elétrons de alta energia ao invés de fótons. Os elétrons de alta energia podem ser usados para se alcançar uma resolução de escala atômica, já que seu comprimento de onda é muito menor do que o da luz visível e, na realidade, menor do que o comprimento de onda de distâncias atômicas típicas.

Di Fabrizio e seus colegas decidiram obter a imagem de uma cadeia de DNA. Eles precisavam de uma cadeia de DNA isolada, longa e bem esticada para conseguir essa imagem. Eles decidiram suspendê-la entre dois nanopilares, como se estivesse em um varal esticado entre dois postes — mais uma técnica desenvolvida pelasua equipe de pesquisadores[2].  Basicamente, a ideia era preparar uma solução aquosa com um pouco de DNA e colocá-la sobre dois nanopilares paralelos,para que, assim que aágua evaporasse, algumas cadeias de DNA permanecessem estiradas entre eles. Já que di Fabrizio e sua equipe usaram o MET para gerar uma imagem do DNA, eles precisavam coletar os elétrons transmitidos após a interação. Para tanto, eles fizeram buracos no substrato entre os dois pilares paralelos. "Conseguimos suspender o DNA entre os pilares, em uma superfície super-hidrofóbica," comentou di Fabrizio. "Naquele momento, eu imaginei que se removesse o fundo do substrato, a imagem de MET ficaria muito melhor. Eu pensei que 'suspenso' deveria ser associado a 'sem substrato'".

Com essa técnica, a equipe conseguiu obter uma imagem de uma cadeia bastante fina e tensa de DNA, formada por 7 filamentos de DNA, um no meio e seis dispostos simetricamente à sua volta. Na imagem de MET, é possível observar as distorções periódicas da hélice externa. Agora, eles estão trabalhando para obter uma imagem de um único filamento, e para, possivelmente, conseguir resolver bases únicas de DNA. De acordo com di Fabrizio, a expectativa é de obter mais informações sobre os mecanismos que regulam a expressão dos genes através da observação das modificações na estrutura externa de DNA, ligadas à ativação ou desativação de um par de genes.

[1] J.D. Watson & F.H.C. Crick, A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid, Nature 171, 737-738 (1953).

[2] F. De Angelis et al., Breaking the diffusion limit with super-hydrophobic delivery of molecules to plasmonic nanofocusing SERS structures, Nature Photon. 5, 682-687 (2011).

Agnese Callegari

2013 © Optics & Photonics Focus

AC atualmente trabalha como pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Bilkent, em Ankara, na Turquia.

Francesco Gentile, Manola Moretti, Tania Limongi, Andrea Falqui, Giovanni Bertoni, Alice Scarpellini, Stefania Santoriello, Luca Maragliano, Remo Proietti Zaccaria & Enzo di Fabrizio, Direct Imaging of DNA Fibers: The Visage of Double Helix, Nanoletters (2012) 12, 6453–6458 (link).


 


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