Tecnologia Científica

Estruturas minúsculas geram feixes poderosos para imagens ópticas aprimoradas
Usando o DNA como suporte, os engenheiros criam nanomateriais sintéticos que podem abrir caminho para testes diagnósticos mais rápidos e precisos a partir de uma única molécula
Por Catherine Graham - 20/01/2021

Mesmo a menor molécula pode contar uma grande história. Por exemplo, observar uma única molécula pode lançar luz sobre os processos biológicos subjacentes no corpo humano. Na verdade, procedimentos de imagem molecular - que não são invasivos e indolores - estão sendo usados ​​para diagnosticar e gerenciar o tratamento de COVID-19, câncer, doenças cardíacas e outras condições graves de saúde.

Uma das técnicas mais promissoras para imagens de molécula única é a espectroscopia Raman de superfície aprimorada, ou SERS. Ao focalizar um feixe de laser na amostra, o SERS detecta mudanças nas moléculas com base em como elas espalham a luz e pode identificar moléculas específicas por meio de seus espectros Raman exclusivos: uma espécie de impressão digital molecular. Uma vantagem do SERS é que ele não é destrutivo e requer preparação mínima da amostra, pois não requer adição de produtos químicos ou modificações para fazer as medições.

Em um estudo publicado recentemente na Advanced Materials , engenheiros da Johns Hopkins Whiting School of Engineering descrevem um novo nanomaterial que permite a detecção rápida e altamente sensível de uma única molécula usando SERS. Sua invenção pode abrir caminho para testes de diagnóstico mais rápidos e precisos.

Para criar seu novo material, chamado Molde Silicificado de DNA para Raman Optical Beacon ou DNA-STROBE, uma equipe liderada por Ishan Barman , um professor associado de engenharia mecânica, projetou cavidades ópticas de apenas alguns nanômetros ou menos. Na imagem SERS, essas cavidades plasmônicas "prendem" feixes de luz, convertendo sua radiação eletromagnética em ondas de elétrons. As minúsculas nanocavidades plasmônicas da equipe de Barman aumentam exponencialmente a densidade dessa energia eletromagnética aprisionada, potencialmente permitindo imagens biomoleculares quantitativas em concentrações ultrabaixas.

Comparação de dois resultados de imagem, mostrando a especificidade e clareza
umentadas do nanomaterial DNA-STROBE - Legenda da imagem:A imagem à esquerda
(C) mostra imagens limitadas por difração que são muito borradas para capturar pontos
ativos plasmônicos necessários para conduzir análises SERS de molécula única. À direita
(D) está a imagem de super-resolução dos mesmos hotspots plasmônicos usando
DNA-STROBE, que é claro o suficiente para permitir
a análise SERS de uma única molécula.

"A eficácia das medições SERS depende da arquitetura e reprodutibilidade das sondas em nanoescala. Se projetadas e realizadas com sucesso, nossas estruturas DNA-STROBE oferecem sensoriamento óptico em tempo real, molécula única e sem rótulo que é quase impossível de alcançar com qualquer plataformas ", disse Barman, o autor correspondente do jornal.

Os coautores do estudo incluem Le Liang e Peng Zheng, ambos pós-doutorandos na Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

De acordo com Barman, as medições SERS podem oferecer percepções sem precedentes em nanoescala, o que continua sendo um desafio para os métodos de imagem convencionais. A intensidade do sinal SERS depende do tamanho das lacunas em nanoescala, conhecidas como "pontos de acesso". Como essas nanocavidades confinam a energia da luz, quanto menores as lacunas, maior o sinal SERS. No entanto, nanocavidades desse tamanho pequeno são extremamente difíceis (e caras) de fabricar de forma programável e reproduzível, explicou ele.

"SE PROJETADAS E REALIZADAS COM SUCESSO, NOSSAS ESTRUTURAS DNA-STROBE OFERECEM EM TEMPO REAL, MOLÉCULA ÚNICA, DETECÇÃO ÓTICA SEM RÓTULO QUE É QUASE IMPOSSÍVEL DE ALCANÇAR COM QUALQUER PLATAFORMA EXISTENTE."

Ishan Barman
Professor associado de engenharia mecânica

A equipe de pesquisa recorreu à nanotecnologia de DNA para encontrar uma resposta. Usando o DNA como andaimes, a equipe construiu nanocavidades sintéticas com o tamanho perfeito para se tornarem hotspots. Mas dada a natureza elástica do DNA, especialmente sua propensão a dobrar e dobrar, o tamanho das estruturas DNA-STROBE formadas pode mudar, potencialmente enfraquecendo o sinal SERS. Assim, a equipe encapsulou as estruturas do DNA-STROBE com uma casca protetora de sílica ultrafina para evitar tais flutuações.

O estudo relatou duas descobertas significativas. Em primeiro lugar, os pesquisadores mostraram que podiam fabricar nanocavidades ultrapequenas com ampliação eletromagnética bem controlada e grande do sinal SERS. Em segundo lugar, sua abordagem permite estudos de uma única molécula, mesmo em amostras biológicas com altas concentrações de moléculas - um obstáculo na pesquisa anterior.

"Ficamos entusiasmados em observar que o DNA-STROBE aumentou o sinal Raman e foi forte o suficiente para permitir detecção em tempo real e imagens de super-resolução. Isso certamente abrirá novos caminhos para o uso da análise SERS, particularmente em detecção e imagem aplicações onde adicionar agentes de contraste e corantes não é desejável ou prático ", disse Liang.

O próximo passo, dizem os pesquisadores, será desenvolver um conjunto de ferramentas analíticas derivadas do DNA-STROBE para uma variedade de aplicações. Por exemplo, a equipe acredita que sua abordagem oferece uma plataforma de ponta para a detecção ultrassensível de biomarcadores de câncer circulantes.

"Com a personalização adequada, o DNA-STROBE pode permitir o progresso em uma ampla variedade de campos, desde diagnósticos clínicos e pesquisa biomédica básica até detecção ambiental e manipulação de molécula única", acrescenta Barman.

 

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