Uma equipe de pesquisa interdisciplinar de Bochum, Duisburg e Zurique desenvolveu uma nova abordagem para construir sensores ópticos modulares capazes de detectar vírus e bactérias. Para isso, os pesquisadores usaram nanotubos de carbono fluorescentes com um novo tipo de âncoras de DNA que atuam como alças moleculares. As estruturas de ancoragem podem ser usadas para conjugar unidades de reconhecimento biológico, como aptâmeros de anticorpos, aos nanotubos. A unidade de reconhecimento pode posteriormente interagir com moléculas bacterianas ou virais para os nanotubos. Essas interações afetam a fluorescência dos nanotubos e aumentam ou diminuem seu brilho.
Uma equipe formada pelo professor Sebastian Kruss, Justus Metternich e quatro colegas de trabalho da Ruhr University Bochum (Alemanha), do Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems e do ETH Zurich relataram suas descobertas no Jornal da Sociedade Química Americana, publicado online em 27 de junho de 2023.
Personalização direta de biossensores de nanotubos de carbono
A equipe usou nanossensores tubulares feitos de carbono e com diâmetro inferior a um nanômetro. Quando irradiados com luz visível, os nanotubos de carbono emitem luz na faixa do infravermelho próximo. A luz infravermelha próxima não é visível ao olho humano. No entanto, é perfeito para aplicações ópticas, pois o nível de outros sinais nessa faixa é bastante reduzido. Em estudos anteriores, a equipe de Sebastian Kruss já havia mostrado como a fluorescência dos nanotubos pode ser manipulada para detectar biomoléculas vitais. Agora, os pesquisadores buscaram uma maneira de personalizar os sensores de carbono para uso com diferentes moléculas-alvo de maneira direta.
A chave para o sucesso foram as estruturas de DNA com os chamados defeitos quânticos de guanina. Isso envolveu a ligação de bases de DNA ao nanotubo para criar um defeito na estrutura cristalina do nanotubo. Como resultado, a fluorescência dos nanotubos mudou no nível quântico. Adicionalmente, o defeito funcionou como um identificador molecular que permitiu introduzir uma unidade de detecção, que pode ser adaptada à respetiva molécula alvo com o objetivo de identificar uma proteína viral ou bacteriana específica. “Através da fixação da unidade de detecção às âncoras de DNA, a montagem de tal sensor se assemelha a um sistema de blocos de construção – exceto que as partes individuais são 100.000 vezes menores que um fio de cabelo humano”, descreve Sebastian Kruss.
O sensor identifica diferentes alvos bacterianos e virais
O grupo apresentou o novo conceito de sensor usando a proteína spike SARS CoV-2 como exemplo. Para esse fim, os pesquisadores usaram aptâmeros, que se ligam à proteína spike SARS CoV-2. “Aptâmeros são fitas de DNA ou RNA dobradas. Devido à sua estrutura, eles podem se ligar seletivamente a proteínas”, explica Justus Metternich. “Na próxima etapa, pode-se transferir o conceito para anticorpos ou outras unidades de detecção”.
Os sensores fluorescentes indicaram a presença da proteína SARS-CoV-2 com alto grau de confiabilidade. A seletividade de sensores com defeitos quânticos de guanina foi maior do que a seletividade de sensores sem tais defeitos. Além disso, os sensores com defeitos quânticos de guanina foram mais estáveis em solução. “Esta é uma vantagem se você pensar em medições além de soluções aquosas simples. Para aplicações de diagnóstico, temos que medir em ambientes complexos, por exemplo, com células, no sangue ou no próprio organismo”, diz Sebastian Kruss, que dirige o Grupo de Interfaces Funcionais e Biossistemas da Ruhr University Bochum e é membro do Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) e da International Graduate School of Neuroscience.