Uma nova tecnologia desenvolvida por bio-engenheiros da Universidade da Califórnia, Berkeley, pode tornar os testes de DNA mais rápidos, baratos e portáteis, podendo ser realizados da África rural a um grande hospital.
A tecnologia consiste em acelerar drasticamente a reação em cadeia da polimerase (em inglês, Polymerase Chain Reaction – PCR) em testes de DNA, simplesmente acelerando o aquecimento e o resfriamento de amostras genéticas.
O estudo, detalhado em um paper de livre acesso da revista Light: Science & Application, publicado em 31 de julho, expande as aplicações clínicas da PCR, com resultados que podem ser divulgados em poucos minutos em vez de uma hora ou até mais.
A técnica de biologia molecular por PCR, a qual torna possível a obtenção de muitas cópias de uma sequência específica de DNA, tornou-se vital em diversas aplicações genômicas, que vão desde pesquisas de clonagem aos testes de investigação de paternidade.
A técnica também é utilizada no diagnóstico precoce de doenças hereditárias e de doenças infecciosas, e até mesmo para análise de amostras antigas de DNA de múmias e mamutes.
Esse imenso impacto da PCR na ciência moderna foi reconhecido em 1993, com o Prêmio Nobel de Química para seus inventores, Kary Mullis e Michael Smith.
O gargalo do tempo
Considerada uma técnica revolucionária e amplamente utilizada, o processo convencional da PCR é relativamente lento.
O autor sênior do estudo e professor de bioengenharia, Luke Lee explica que a PCR é realizada geralmente em um laboratório porque o aquecedor utilizado requer muita energia e é caro, portanto não é prático realizá-la em locais espalhados.
A desaceleração convencional da PCR consiste em aquecer e resfriar repetidas vezes uma solução de DNA – uma média de 30 ciclos térmicos em três temperaturas diferentes – para amplificar a sequência genética. Em cada ciclo de aquecimento-resfriamento, a quantidade da amostra de DNA é duplicada.
A nova tecnologia
Usando LEDs (diodos emissores de luz), os investigadores de Berkeley aqueceram elétrons de uma solução de DNA. Eles cronometraram a velocidade do aquecimento da solução em 55 graus Fahrenheit por segundo. A taxa de resfriamento também foi impressionante, chegando a 43,9 graus por segundo.
Para acelerar este ciclo térmico, Lee e sua equipe utilizaram uma tecnologia conhecida como plasmônica, com a interação entre luz e elétrons livres na superfície de um metal, no caso, o ouro. Quando expostos à luz, os elétrons livres se agitam e começam a oscilar, gerando calor. Quando a luz é desligada, as oscilações e o aquecimento param.
O ouro, ao que parece, é um metal que serve bem para o aquecimento fototérmico plasmônico por ser muito eficaz na absorção da luz. O ouro também tem a vantagem de ser inerte para sistemas biológicos, de modo que pode ser utilizado em aplicações biomédicas.
Para estes experimentos, os pesquisadores revestiram chips plásticos com finas camadas de ouro com 120 nanômetros de espessura. A amostra de DNA é então colocada nas pequenas cavidades dos chips revestidos de ouro. Em seguida, luzes de LED, que estão posicionadas abaixo dos chips, são ligadas e desligadas rapidamente para aquecer e resfriar a amostra até 30 vezes seguidas.
Desenho esquemático, mostra a PCR fotônica usando luzes LED e uma fina camada de ouro para amplificar amostras genéticas. O processo repetido de aquecimento e resfriamento, chamado ciclo térmico, é necessário para que a fita de DNA se rompa (1-desnaturação). Em uma mesma reação, primers e sequência alvo (a qual deve estar na forma desnaturada, ou seja, a fita simples) se unem por complementaridade entre suas bases (2-pareamento e extensão), resultando em duas cópias do gene. O processo é repetido durante pelo menos 30 ciclos. (crédito: Jun Ho Son, UC Berkeley)
Os resultados que a equipe conseguiu foram compatíveis com testes convencionais de PCR, só que realizados em menos de 5 minutos e “com a vantagem de não ter que ir para um hospital. Tudo está nesse chip” como disse um dos pesquisadores, Jun Ho Son.
Son justifica a escolha da luz LED pelo seu baixo consumo de energia. É preciso apenas dois ou três watts, em comparação com as centenas de watts necessárias para uma máquina convencional para a PCR.
Uma vez que o novo processo amplifica qualquer tipo de ácido nucleico, Lee prevê que a PCR fotônica pode acelerar a investigação não só de genes humanos mas também de micróbios, plantas e animais, com a vantagem de ser rápido, eficaz, portátil e de baixo custo.
