Estudar como moléculas de DNA individuais se comportam nos ajuda a entender melhor os distúrbios genéticos e a projetar melhores medicamentos. Até agora, no entanto, examinar moléculas de DNA uma por uma era um processo lento. Biofísicos da Universidade de Tecnologia de Delft e da Universidade de Leiden desenvolveram uma técnica que acelera a triagem de moléculas de DNA individuais pelo menos mil vezes. Com essa tecnologia, eles podem medir milhões de moléculas de DNA em uma semana, em vez de anos a décadas. O estudo agora foi publicado em Ciência .
-DNA, RNA e proteínas são os principais atores na regulação de todos os processos nas células do nosso corpo,- explica o professor de Leiden John van Noort. -Para entender o (mau) funcionamento dessas moléculas, é essencial descobrir como sua estrutura 3D depende de sua sequência e, para isso, é necessário medi-las uma molécula de cada vez. No entanto, medições de moléculas individuais são trabalhosas e lentas, e o número de possíveis variações de sequência é enorme.-
De décadas para dias
Agora, a equipe de cientistas desenvolveu uma ferramenta inovadora, chamada SPARXS (Single-molecule Parallel Analysis for Rapid eXploration of Sequence space), que permite estudar milhões de moléculas de DNA simultaneamente. – Técnicas tradicionais que permitem que uma sequência seja sondada por vez geralmente levam horas de tempo de medição por sequência. Com o SPARXS, podemos medir milhões de moléculas dentro de um dia a uma semana. Sem o SPARXS, tal medição levaria vários anos a décadas, – diz o professor de Delft Chirlmin Joo.
– O SPARXS nos permite estudar grandes bibliotecas de sequências, fornecendo novos insights sobre como a estrutura e a função do DNA dependem da sequência. Além disso, a técnica pode ser usada para encontrar rapidamente a melhor sequência para aplicações que vão da nanotecnologia à medicina personalizada, – acrescenta a candidata a PhD Carolien Bastiaanssen.
Nunca combinado antes
Para criar sua nova técnica SPARXS, os pesquisadores combinaram duas tecnologias existentes que nunca tinham sido pareadas antes: fluorescência de molécula única e sequenciamento Illumina de última geração. Na primeira técnica, as moléculas são marcadas com um corante fluorescente e visualizadas usando um microscópio sensível. A última técnica lê milhões de códigos de DNA simultaneamente. Joo: -Levou um ano para determinar se a combinação das duas técnicas é viável, mais quatro anos para desenvolver um método funcional e dois anos adicionais para garantir precisão e consistência nas medições enquanto gerencia a vasta quantidade de dados gerados.-
-A parte realmente divertida e interessante começou quando precisávamos interpretar os dados,- diz o primeiro autor Ivo Severins. -Como esses experimentos que combinam medições de moléculas individuais com sequenciamento são completamente novos, não tínhamos ideia de quais resultados obteríamos e poderíamos obter. Foi preciso muita busca dentro dos dados para encontrar correlações e padrões, e para determinar os mecanismos que fundamentam os padrões que vemos.-
Superando desafios de processamento de dados
Outro desafio que eles tiveram que superar foi lidar com a grande quantidade de dados, Van Noort acrescenta: -Tivemos que desenvolver um pipeline de análise automatizado e robusto. Isso foi particularmente desafiador, pois moléculas únicas são frágeis e produzem apenas uma pequena quantidade de luz, tornando os dados inerentemente ruidosos. Além disso, os dados resultantes não fornecem insights diretamente sobre como a sequência afeta a estrutura e a dinâmica do DNA, mesmo para as estruturas de DNA relativamente simples que estudamos. Para realmente testar nossa compreensão, criamos um modelo que incorpora nosso conhecimento da estrutura do DNA e o comparamos com os dados experimentais.-
Avanços médicos
Manipulação e compreensão mais precisas de sequências de DNA provavelmente levarão a avanços em tratamentos médicos, como terapias genéticas mais eficazes e medicina personalizada. Os pesquisadores também preveem inovações biotecnológicas e, no geral, uma melhor compreensão da biologia no nível molecular. Joo: -Esperamos que aplicações em pesquisa genética, desenvolvimento de medicamentos e biotecnologia comecem a surgir dentro dos próximos cinco a dez anos.-
