Separação ultrarrápida de DNA em microchips

 

Microdispositivo utilizado na separação e fragmentação de DNA. [Imagem: Gumuscu et al. 2017. DOI: 10.1038/micronano.2017.1 ]

Olá querido leitor, hoje nós iremos explorar um pouco a separação de DNA. Isso porque recentemente pesquisadores da Universidade de Twente, na Holanda, desenvolveram um dispositivo microfluídico de vidro para a separação ultrarrápida e a purificação de fragmentos de DNA de fácil fabricação e baixo custo. O estudo dos cientistas foi publicado na Microsystems e Nano Engineering (DOI: 10.1038/micronano.2017.1).

O novo chip é capaz de fracionar fragmentos de DNA em apenas alguns minutos, enquanto as abordagens convencionais levam horas. O chip faz isso em alta resolução e também purifica os fragmentos, além de remover outros sais na amostra de DNA. Pequenas quantidades de DNA, como em diagnósticos médicos ou em medicina forense, serão suficientes. Os fragmentos estão tipicamente no tamanho da sequenciação de DNA de segunda geração, o próximo passo após o bem conhecido Projeto Genoma Humano.

O microdispositivo

Na figura acima, você pode ter uma ótima descrição do microdispositivo. Na parte (A) temos uma imagem do microchip fabricado em vidro. Na (B) é apresentado uma ilustração esquemática do layout do microchip, incluindo o reservatório de DNA, reservatórios tampão*, microcanais e câmara de separação. E por fim tem-se  uma ilustração esquemática do suporte do chip feito de Delrin** (C).

O suporte do chip consiste em três partes principais. A parte inferior tem uma janela que permite a observação do fracionamento do DNA em um microscópio invertido Epi-fluorescência. A parte do meio tem fendas servindo como reservatórios tampão em contato direto com os reservatórios tampão no microchip. Os reservatórios tampão na parte do meio são preenchidos com tampão para permitir o contato com os fios de platina. A parte superior tem orifícios para alinhar os fios de platina aos reservatórios na parte do meio. Os fios estão conectados a uma fonte de alimentação.

Lembrando das suas aulas de biologia

Estrutura química do DNA.

O DNA é uma sigla para o termo ácido desoxirribonucleico (ADN, em português). É uma macromolécula celular, formado a partir da união de compostos químicos chamados nucleotídeos. O nucleotídeo é formado por 3 substâncias químicas:

  1. Bases Nitrogenadas – Adenina (A), Timina (T), Citosina (C) e Guanina (G);
  2. Pentose – Um açúcar que apresenta moléculas formadas por cinco átomos de carbono;
  3. Fosfato – um radical de ácido fosfórico.

Os nucleotídeos estão organizados através de ligações que permitem a formação de duas fitas torcidas unidas entre si por ligações de hidrogênio (pontes de hidrogênio). As pontes de hidrogênio são formadas entre os pares de bases: A-T e C-G (Adenina com Timina e Citosina com Guanina). Por isso costuma-se denominar a estrutura do DNA como sendo uma dupla hélice. O DNA constitui a formação de nossos genes, unidades que determinam nossas características.

Voltando ao estudo da separação de DNA – Movimentos de serpente

Os autores do estudo alcançaram esta alta velocidade e resolução através de um nova abordagem para a técnica comum de eletroforese em gel. Na abordagem convencional, o DNA se move em um gel por um campo elétrico aplicado. Os fragmentos maiores se moverão mais lentamente do que os pequenos, e desta forma é possível a separação do tamanho. Mas o campo elétrico tem uma direção e as moléculas se movem em linha reta. Mas, e se você variar o campo?

[Imagem: Gumuscu et al. 2017. DOI: 10.1038/micronano.2017.1 ]

Foi exatamente isso que pensaram os autores. Se você periodicamente aplicar um campo elétrico de diferente magnitude na direção perpendicular, os fragmentos também responderão a isso. Eles não se movem em linha reta agora, mas em algum lugar entre as duas direções de campo. À medida que grandes fragmentos respondem de forma diferente – como uma serpente se move – dos os pequenos, os fragmentos podem ser separados.

Ao aplicar campos elétricos em duas direções, fragmentos maiores e menores movem-se de maneira diferente e saem em diferentes micro canais. Na Figura ao lado temos uma representação esquemática do princípio de separação em alta intensidade de campo elétrico e baixa freqüência. Linhas tracejadas azuis e vermelhas apresentam a trajetória de migração líquida de cada fragmento. Φ é o ângulo de deflexão dos fragmentos de DNA. Para coletar os fragmentos, o chip possui um arranjo de microcanais nos lados de uma câmara de separação quadrada de cerca de 1 centímetro quadrado. Ao lado disso, possui um reservatório de DNA e eletrodos para aplicar os campos elétricos.

Segundo os autores o chip é relativamente fácil de produzir e de baixo custo. É versátil também, já que o tipo e concentração de gel e os campos elétricos podem ser ajustados para a aplicação. A separação de proteínas é uma das outras áreas de aplicação possíveis.

Fontes: University of Twente, ScienceDaily e informações sobre o DNA do BrasilESCOLA


*Uma solução tamponada (solução tampão) resiste a mudanças de pH quando ácidos ou bases são adicionados ou quando uma diluição ocorre. Referência: Fiorucci, A. R.; Soares, M. H. F. B.; Cavalheiro, E. T. G. O conceito de Solução Tampão. Química Nova na Escola, n° 13, 2001. Link para o artigo

**Delrin é uma resina de acetal vendida pela empresa DuPontTM. Esse material é um polímero conhecido como  Poliacetal ou Acetal e Poliformaldeído. Esse polímero é um plástico de engenharia com excepcional estabilidade dimensional e excelente resistência ao escoamento e à fadiga por vibrações, possui baixo coeficiente de atrito e elevada resistência à abrasão e também a agentes químicos. Mantém suas propriedades quando imerso em água quente e possui baixa tendência à ruptura por fadiga. Fontes: WIKIPÉDIA, DuPont, Isolaplast.


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Sobre Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

2 respostas para Separação ultrarrápida de DNA em microchips

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