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quinta-feira, 30 de julho de 2009

Nanobiotecnologia no ENEM

Desde o início desse ano participo de um projeto de extensão universitária visando educação popular chamado Alternativa Cidadã (já comentei sobre isso aqui no blog), onde leciono química em caráter voluntário. O MEC, como sabe quem tem lido os jornais, está reestruturando a forma de entrar nas universidades e, com isso, a própria lógica do ensino médio (para melhor, na minha opinião).

A ferramenta dessa reestruturação é o novo ENEM (Exame Nacional do Ensino Médio), cuja primeira edição ocorrerá em outubro. A ideia é extirpar a decoreba e valorizar o raciocínio e a multidisciplinaridade. O pessoal do MEC disponibilizou no site uma espécie de simulado com exemplos de questões, divididas em quatro competências ou habilidades: Ciências da natureza e suas tecnologias, Ciências humanas e suas tecnologias, Linguagens, códigos e suas tecnologias e Matemática e suas tecnologias. Química, biologia e física se inserem na primeira competência.

Qual não foi minha surpresa quando, ao analisar a prova simulada de Ciências da natureza e suas tecnologias, deparei-me com uma questão sobre nanobiotecnologia! Outras questões dessa competência trazem textos bem interessantes de revistas de divulgação científica, como a Ciência Hoje, com temas que vão da física envolvida na nossa audição até os motivos (químicos e biológicos) que justificam porque copos de poliestireno são um problema ambiental.

Pelo que pude perceber, essa reestruturação do ensino nas escolas, que o MEC está propondo com o novo ENEM, segue uma abordagem de ciência mais conectada com a realidade dos alunos - o que é uma ótima maneira de criar novos entusiastas da pesquisa científica e tecnológica no nosso país, sigam eles o caminho da academia ou do mundo corporativo. Isso só reforça o compromisso social que os cientistas tem no que se refere a divulgar ciência para o público em geral.

Os blogs científicos tem grande potencial como ferramenta desse processo. Se você é cientista (ou aspirante, como eu), pense nessa ideia - divulgue a sua área. Aproveito o gancho para divulgar o 2 encontro de blogs científicos em lingua portuguesa, que ocorrerá em Arraial do Cabo (RJ), de 25 a 27 de Setembro de 2009, com financiamento do CNPq e apoio da UFRJ e do IEAPM. Eu já me inscrevi.

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PS.: Ficou curioso sobre a questão do ENEM que envolve nanobiotecnologia? Bem, aí está ela:

A nanotecnologia está ligada à manipulação da matéria em escala nanométrica, ou seja, uma escala tão pequena quanto a de um bilionésimo do metro. Quando aplicada às ciências da vida, recebe o nome de nanobiotecnologia. No fantástico mundo da nanobiotecnologia, será possível a invenção de dispositivos ultrapequenos que, usando conhecimentos da biologia e da engenharia, permitirão examinar, manipular ou imitar os sistemas biológicos. LACAVA, Z.; MORAIS, P. Nanobiotecnologia e saúde. Com Ciência. Reportagens. Nanociência & Nanotecnologia. Disponível em: http://www.comciencia.br/reportagens/nanotecnologia/nano15.htm. Acesso em: 4 maio 2009.

Como exemplo da utilização dessa tecnologia na Medicina, pode-se citar a utilização de nanopartículas magnéticas (nanoimãs) em terapias contra o câncer. Considerando-se que o campo magnético não age diretamente sobre os tecidos, o uso dessa tecnologia em relação às terapias convencionais é

(A) de eficácia duvidosa, já que não é possível manipular nanopartículas para serem usadas na medicina com a tecnologia atual.
(B) vantajoso, uma vez que o campo magnético gerado por essas partículas apresenta propriedades terapêuticas associadas ao desaparecimento do câncer.
(C) desvantajoso, devido à radioatividade gerada pela movimentação de partículas magnéticas, o que, em organismos vivos, poderia causar o aparecimento de tumores.
(D) desvantajoso, porque o magnetismo está associado ao aparecimento de alguns tipos de câncer no organismo feminino como, por exemplo, o câncer de mama e o de colo de útero.
(E) vantajoso, pois se os nanoimãs forem ligados a drogas quimioterápicas, permitem que estas sejam fixadas diretamente em um tumor por meio de um campo magnético externo, diminuindo-se a chance de que áreas saudáveis sejam afetadas.

E aí? Você sabe qual é a resposta?

terça-feira, 28 de julho de 2009

Os primeiros "nanotecnólogos" eram artistas

Na idade média, a decoração das igrejas com vitrais coloridos era algo comum – além de criar uma atmosfera adequada à contemplação, era uma forma de catequese num mundo de maioria analfabeta. Mas como os artistas faziam os vitrais ficar coloridos?
Analisemos os vidros vermelhos. A adição de cloreto de ouro ao vidro fundido fazia surgir esferas de ouro de aproximadamente 25 nanometros de diâmetro – e como bem sabe quem já deu uma olhada em posts anteriores sobre espalhamento de luz, vemos um conjunto de nanopartículas com a cor vermelha porque seu tamanho, forma e material fazem com que a luz espalhada com mais eficiência seja aquela na faixa de comprimento de onda que equivale ao vermelho. Outras cores poderiam ser obtidas mudando-se o material usado e/ou o tamanho da partícula. Nanopartículas de ouro de 50 nm, por exemplo, dão o tom verde. Se dobrarmos seu tamanho (ou seja, se atigirmos 100 nm), a cor espalhada passa a ser a laranja. Já nanopartículas de prata de 100 nm espalham luz amarela. O azul poderia ser obtido com nanopartículas de prata de 40 nm.
É claro que não se sabia desses detalhes todos na época (as técnicas de colorir os vidros foram descobertas por tentativa e erro), mas cabe observar como a nanotecnologia é ANTIGA. Nanopartículas sempre existiram. A novidade está no maior entendimento a respeito das propriedades dos nanomateriais e como manipulá-los.
(origem da foto: clique aqui)

quinta-feira, 23 de julho de 2009

Os mistérios da água na nanoescala

Acha que a água não tem mistério? Ela tem...
é mais fácil encontrar a água na forma de aglomerados H3O+(H2O)6 do que na forma de moléculas de H2O isoladas. Surpreso? Eu também fiquei quando um colega da química teórica me contou isso pela primeira vez como se fosse a coisa mais banal do mundo. O interessante é que há também estruturas ainda maiores na água, como H3O+(H2O)20 e outras ainda mais diferentes, como H5O2+. Como vocês devem ter percebido, água é um negócio complexo. Lembrei desse dia há pouco, lendo uma reportagem da Science News - pesquisadores da Alemanha, França e China descobriram que a fusão de nanopartículas de gelo (!) ocorre em temperatura mais baixa que o gelo macroscópico (que é de zero grau Celsius à pressão de 1 atm). E não pense que essa temperatura é um ou dois graus mais baixa.... na na não.... pode chegar a ser 180 GRAUS MAIS BAIXA! Os pesquisadores usaram aglomerados de 48 e de 118 moléculas de água e perceberam que há uma relação direta entre o tamanho da nanopartícula e o seu ponto de fusão – ou seja, quanto menor a nanopartícula de gelo, menor é a temperatura de fusão da mesma. Além disso, a transição de sólido para líquido na nanopartícula de gelo ocorre numa faixa de temperatura de até 40 oC – o que é muito mais gradual que no caso de gelo macroscópico, que precisa de uma variação de apenas 1 oC para o mesmo fenômeno.
Legal, mas inútil? Que nada, a água está contida em nano-volumes dentro das células. E como diz lá na reportagem da Science News, “muitos biólogos acham que nós não entenderemos completamente a biologia antes de entendermos a água”. Se pensarmos que a biologia é resultado de uma série de eventos químicos que ocorrem em meio aquoso, não há como discordar totalmente disso.

P.S.....

a) Na água, duas moléculas H2O estão em equilíbrio com sua forma dissociada, que consiste em um íon hidróxido OH- e um íon hidrônio H3O+, como mostrado abaixo:

2H2O <-----> H3O+(aq.) + OH-(aq.)

b) O íon hidrônio é solvatado (ou seja, rodeado) por outras moléculas de água (há uma interação entre o hidrônio e as moléculas de água - como uma "cola" - que chamamos de ligação de hidrogênio).

c) H3O+(H2O)6 - significa um aglomerado composto por um íon hidrônio H3O+ solvatado por 6 moléculas de H2O.

d) H3O+(H2O)20 - significa um aglomerado composto por um íon hidrônio H3O+ solvatado por 20 moléculas de H2O.

quarta-feira, 22 de julho de 2009

Grandes personalidades da nanociência e nanotecnologia: Norio Taniguchi

"Nano-technology mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule." (Norio Taniguchi, 1974)

Esse simpático senhor aí ao lado é ninguém menos que a pessoa que inventou o termo "nanotecnologia". Seu nome? Você já deve imaginar qual seja.... exatamente! Professor Norio Taniguchi (1912-1999). Atuando na Tokyo Science University, Taniguchi desenvolveu trabalhos na área de processamento de ultra-precisão de materiais empregando feixes de energia e cunhou esse nome para descrever processos controlados na escala do nanometro, como deposição de filmes finos, já nos idos de 1974. Será que ele sabia que o nome bolado por ele acabaria se tornando um termo tão pop?

terça-feira, 21 de julho de 2009

Il nome della rosa

Imagem que ganhou o primeiro lugar, empatado com mais duas (uma delas é o nano-ursinho Teddy) no concurso de 2008 da MRS.
Autoria: PaiChun Wei, National Taiwan University.

“Stat rosa pristina nomine, nomina nuda tenemus”
(A rosa antiga permanece no nome, nada temos além dos nomes)


A rosa é uma flor cheia de significados nas culturas ocidental e oriental. Essa flor era consagrada à deusa egípcia Isís, e era também símbolo da deusa grega do amor Afrodite. Para os romanos, as rosas eram uma criação de Flora, deusa da primavera e das flores. Na tradição Hindu, a deusa do amor Lakshmi nasceu de uma rosa. Posteriormente, o cristianismo adotou a rosa como o símbolo de Maria.

Inúmeros são os mitos sobre a rosa, que como sabemos é símbolo do amor. Algo que não é tão notório é que o miolo da rosa fechado fez com que a flor também fosse símbolo de segredo em muitas culturas. Um costume medieval era colocar uma rosa no teto da sala de reuniões indicando que, onde houvesse a flor no teto, os assuntos deveriam ser mantidos em segredo.

É claro que algo tão carregado de simbolismo não poderia faltar no mundo nano!!! A imagem acima, que parece uma linda rosa vermelha, foi obtida através da reação de indio e ácido hidrazoico (HN3), que produziu uma estrutura cristalina de nitreto de indio (InN) do tipo wurtzita. Cabe salientar que a imagem foi obtida por microscopia eletrônica e colorizada depois em computador.

Wurtzita parece uma daquelas palavras de sociedades secretas medievais? Que nada, é só o nome de como os íons se organizam no espaço para formar um certo tipo de cristal. As unidades cristalinas de sal de cozinha, por exemplo, se organizam como cubos - sendo que o cloreto e o sódio ficam nos vértices do cubo. O cristalzinho de sal que vemos é a união de milhares de unidades cristalinas de cloreto de sódio. Viu? Nenhum segredo - apesar da nano-rosa no teto desse post.


Jacob do Bandolim - Rosa

segunda-feira, 20 de julho de 2009

Nanomáquinas: ficção científica ou realidade?

ResearchBlogging.org
Agora que já justifiquei porque grey goo é só ficção, vou deixá-lo maluco (por pura diversão) ao afirmar que nanomáquinas existem. Sim, caro leitor, elas EXISTEM! De acordo com o nosso dicionário Aurélio (eu ainda gosto mais do Aurélio, amor antigo), máquina é um “aparelho ou instrumento próprio para comunicar movimento ou para aproveitar, por em ação ou transformar uma energia ou um agente natural”. Sacou? Embora máquinas sejam geralmente consideradas como produtos da mão humana, por que cargas d'água um sistema molecular complexo qualquer que se encaixe nessa definição não pode ser considerado uma máquina, mesmo que seja um produto da evolução natural e não da inteligência humana? Nesse contexto, organelas celulares (como a mitocôndria e o cloroplasto, por exemplo) são máquinas nanométricas excepcionais. E quando pensamos no pesadelo do “grey goo”, esquecemos que o surgimento da vida causou uma revolução na superfície da Terra em proporções ainda maiores (teria sido um “green goo”?). E como as nanomáquinas já existem desde que a vida surgiu – e nós somos produto dessa “nanotecnologia da mãe-natureza” -, elas podem servir de inspiração para desenharmos nanomáquinas artificiais com finalidades planejadas.

O problema nem é tanto construir a estrutura em si, mas fazê-la andar de forma autônoma. Isso exige que um combustível seja convertido em energia mecânica para que a máquina possa realizar trabalho. O combustível das nossas células é uma molécula chamada trifosfato de adenosina (ou ATP, na sigla em inglês). A quebra de uma das ligações fosfato no ATP libera energia química. Essa energia química é utilizada, por exemplo, para contrair os nossos músculos, movimentar os flagelos de bactérias e espermatozóides e até realizar sinapses no cérebro (é daí que vem a expressão queimar fosfato, usada quando “pensamos muito”). A idéia do ATP como combustível inspirou pesquisadores da Pennsylvania State University, que desenvolveram nanomotores simples capazes de converter energia química - estocada em moléculas que atuam como “combustíveis” - em energia mecânica que gera movimento.

De forma resumida, eles construíram um cilindro feito de platina e outro, com dimensões de 2 micrômetros de altura por 370 nanometros de largura. Os cilindros usados eram assimétricos, ou seja, uma metade era composta por platina e a outra metade era de ouro. Os cilindros foram colocados em um tanque com água e peróxido de hidrogênio (ou água oxigenada, para os íntimos) e aí uma reação interessante aconteceu: na ponta do cilindro composta por platina, cada molécula de peróxido de hidrogênio foi quebrada em 1 molécula de oxigênio, 2 elétrons e 2 prótons; na outra ponta composta por ouro, os elétrons e prótons (que se moveram do lado platina para o lado ouro) se combinaram com uma molécula de peróxido de hidrogênio para formar 2 moléculas de água.

O oxigênio formado no lado de platina interrompeu a rede de ligações de hidrogênio da água, reduzindo sua tensão interfacial líquido-vapor. Como o oxigênio foi gerado apenas em um dos lados do cilindro, um gradiente de tensão interfacial foi criado , gerando uma turbulência na água que estava ao redor do cilindro (ou seja, a diferença de tensão interfacial entre a água ao redor de uma ponta e da outra do cilindro fez com que a água fluísse de um lado para o outro). O fluxo da água foi empurrando o cilindro – no fim das contas, a energia química liberada na quebra do peróxido de hidrogênio em oxigênio, prótons e elétrons foi a fonte energética da propulsão dessa nanomáquina. Conforme o cilindro se movia, o gradiente era continuamente restabelecido porque mais oxigênio era continuamente formado a partir de novas moléculas de peróxido de hidrogênio - e a cada geração de oxigênio, o cilindro era empurrado mais um pouco. É claro que o movimento resultante foi aleatório, mas o estudo já é um ponto de partida interessante para desenvolvermos nanomáquinas capazes de movimento autônomo para finalidades específicas. No futuro, a molécula usada como “combustível” provavelmente não será peróxido de hidrogênio, se pensarmos em aplicações biológicas – mas a glicose pode muito bem ser utilizada, tal qual já é pelas nossas células. Quanto à não-aleatoriedade do movimento, o próprio grupo vem estudando alternativas, como o uso do magnetismo.


Referência:

Paxton, W., Kistler, K., Olmeda, C., Sen, A., St. Angelo, S., Cao, Y., Mallouk, T., Lammert, P., & Crespi, V. (2004). Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods Journal of the American Chemical Society, 126 (41), 13424-13431 DOI: 10.1021/ja047697z

sábado, 18 de julho de 2009

Os nanorrobôs vão dominar o mundo?

Um amigo me perguntou hoje, em tom de brincadeira, se os nanorrobôs vão dominar o mundo. Esse tema já havia sido levantado por um colega de doutorado, o Eduardo, durante um intervalo de trabalho no laboratório: ele me contou que alguns de seus alunos imaginavam que as nanopartículas eram mini-robôs como um monte de microscópicas Roses dos Jetsons. Talvez esse mito do imaginário popular tenha começado por influência de obras de ficção como o livro Engines of Creation, de autoria de Eric Drexler (publicado em 1986). Imagine robôs muito pequenos cuja função seria construir coisas para nós. Num belo dia (ou nem tanto) esses robôs sairiam de controle e começariam a se replicar alucinadamente e a consumir toda a Terra no processo. Eis o cenário do livro Engines of Creation. Seria uma versão nanotecnológica do apocalipse, ou como preferem os fãs da ficção científica, grey goo (“gosma cinza”). Até o príncipe Charles já andou se preocupando seriamente com essa ameaça....

Mas será que corremos o sério risco de virar comida de nanorrobô um dia? Embora o cenário acima seja aterrorizante, há alguns “poréns” que justificam a existência dos grey goo apenas na ficção e garantem nossa segurança contra esse trágico destino (ufa).

Um grey goo teria tarefas muito mais complicadas do que simplesmente se auto-replicar. Ele precisaria sobreviver e se mover no ambiente, além de converter o que encontrasse no caminho em matéria-prima para obtenção de energia. Um nanorrobô grey goo também precisaria de uma capacidade computacional relativamente considerável para processar todas essas funções e harmonizá-las conforme a necessidade. ISSO REQUER UMA QUÍMICA MUITO, MAS MUITO SOFISTICADA. Coisa difícil de se conseguir na nossa escala de tamanho, que se dirá na escala nano. E um nanorrobô sem uma dessas funcionalidades sequer não poderia ser de fato um grey goo. Será que conseguiremos construir nanorrobôs que reúnam todas essas características? Acho bastante improvável.


P.S.: Obrigada ao Eduardo Bender pela ótima sugestão desse tema, e ao Luis por perguntar.

quarta-feira, 15 de julho de 2009

Poesia numa hora dessas?

Hoje não sou eu quem irá falar de ciência. Dessa vez, passo a palavra ao grande e sábio Luis Fernando Verissimo.

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Quem sabe?


Diz a mecânica quântica
que as partículas atômicas
se comportam de um jeito
quando são observadas
e de outro quando estão sós
(como, aliás, todos nós).


E quem nos assegura
que o Universo que está aí
não é como aí está
quando ninguém está olhando?


E que quando os atrônomos
se viram do telescópio
para a prancheta
o Universo não faz
uma careta?

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Hahaha, quem sabe?

Até mais! :-D

(agradecimento ao José Humberto Martins Borges, vulgo Zé, por emprestar o livro de onde tirei essa pérola, "Poesia numa hora dessas ?!", Verissimo L.F., Editora Objetiva)

domingo, 12 de julho de 2009

Nanopartículas que emitem luz – parte III

ResearchBlogging.org
É incrível como um assunto puxa o outro. Começamos discutindo um experimento de fotoquímica que vi no Museu de Ciência e Tecnologia da PUC-RS e terminamos falando em quantum dots e suas aplicações no diagnóstico de doenças. No entanto, se você é atento reparou que os estudos sobre aplicação de quantum dots na área médica tratados no último post foram feitos in vitro – ou seja, com o material biológico isolado do seu “dono”. Pois hoje trago estudos sobre a aplicação de quantum dots in vivo.

Pode não parecer, mas estudos in vivo envolvendo quantum dots são coisa rara e por isso justificam esse post à parte. Há certas controvérsias sobre o assunto que talvez expliquem essa escassez de estudos:

I. Os complexos de quantum dots podem causar reações alérgicas perigosas.
II. Os materiais usados na sua composição podem ser tóxicos.
III. O tamanho dos complexos de quantum dots é superior ao necessário para a eliminação pelos rins – isso faz com que eles sejam eliminados pelo fígado, que é particularmente sensível à toxicidade do cádmio (um dos elementos mais comuns na fabricação de quantum dots).

Ainda há muitos testes a se fazer antes de considerar os quantum dots passíveis de uso em larga escala para diagnóstico in vivo. E eles precisam ser feitos, porque a idéia é boa. Um exemplo é um estudo publicado no PNAS em 2002. Os autores avaliaram a possibilidade de direcionar quantum dots para um alvo específico no organismo in vivo. Para isso, quantum dots de seleneto de cádmio recoberto com sulfeto de zinco foram revestidos com três diferentes peptídeos e injetados em camundongos. Um dos três peptídeos levou os quantum dots aos pulmões de camundongos em maior quantidade que em outros locais do organismo. Os outros dois peptídeos direcionaram os quantum dots a sítios vasculares contendo tumores (tais como veias sanguíneas e rede linfática). No entanto, além desses alvos, os quantum dots também se acumularam no fígado e no baço dos animais devido à captura pelo sistema monocítico fagocitário, que é responsável por eliminar qualquer corpo estranho que se introduza no organismo. Uma forma de “enganar” o sistema monocítico fagocitário é revestir a nanopartícula com PEG (olha aí novamente os aviões Stealth do nanobiomundo!). O revestimento com PEG reduziu bastante o acúmulo dos quantum dots no fígado e baço sem alterar o acúmulo nos sítios-alvo desejados.

(fonte: Akerman e col., 2002)


A injeção de marcadores radioativos (como tecnécio-99m) e corante azul permite a detecção do primeiro gânglio do sistema linfático que drena um tumor, o qual é conhecido como linfonodo sentinela. Essa técnica de análise do linfonodo sentinela é muito utilizada em casos de melanoma, câncer de colon e câncer de mama e permite identificar, já na própria sala cirúrgica, se a base linfática mais próxima do tumor foi ou não acometida por metástase. Isso evita que toda a base linfática em questão seja retirada desnecessariamente. Pesquisadores dos Estados Unidos e Coréia demonstraram que quantum dots com emissão de radiação na faixa do infravermelho podem ser uma alternativa vantajosa aos tradicionais marcadores de linfonodo sentinela. O teste foi feito em camundongos e em porcos. O uso de quantum dots minimizou o tamanho do corte na pele para encontrar o linfonodo porque a emissão de radiação infravermelha resultou em uma imagem em tempo real antes do corte ser feito, a qual foi utilizada pelo cirurgião como um guia (não coloquei a imagem aqui em respeito às pessoas mais sensíveis, mas quem tiver interesse em ver a fluorescência no infravermelho em porcos in vivo, clique aqui). Já os tradicionais marcadores radioativos são detectados através de um gama-probe, que dá um sinal sonoro, e o corante azul é visualizado apenas após o corte. Outra vantagem apontada pelo estudo foi que, após a retirada do linfonodo, o cirurgião pôde inspecionar o local da cirurgia com alta sensibilidade para se assegurar de que todo o tecido linfático marcado foi retirado do organismo. Além disso, foi mais fácil para o patologista identificar o linfonodo sentinela dentro do tecido linfático removido. Por fim, o tamanho ótimo dos quantum dots fez com que eles não fluíssem para além da região do linfonodo sentinela.

Embora o assunto possa render ainda muitos posts por ser bastante amplo, encerro por aqui essa trilogia sobre o uso de quantum dots na área médica. Provavelmente ainda falarei deles no futuro. Obrigada por ter me acompanhado até aqui.

Abraços quânticos!

Referências:


Jamieson, T., Bakhshi, R., Petrova, D., Pocock, R., Imani, M., & Seifalian, A. (2007). Biological applications of quantum dots Biomaterials, 28 (31), 4717-4732 DOI: 10.1016/j.biomaterials.2007.07.014

Akerman, M. (2002). Nanocrystal targeting in vivo Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (20), 12617-12621 DOI: 10.1073/pnas.152463399

Kim, S., Lim, Y., Soltesz, E., De Grand, A., Lee, J., Nakayama, A., Parker, J., Mihaljevic, T., Laurence, R., Dor, D., Cohn, L., Bawendi, M., & Frangioni, J. (2003). Near-infrared fluorescent type II quantum dots for sentinel lymph node mapping Nature Biotechnology, 22 (1), 93-97 DOI: 10.1038/nbt920

quarta-feira, 8 de julho de 2009

Nanopartículas que emitem luz - parte II

ResearchBlogging.org
No post anterior comentei sobre como funciona a fosforescência e a fluorescência e contei que nanopartículas luminescentes podem ser utilizadas para diagnosticar doenças. A questão é que eu não contei COMO elas fazem isso. Para começar, vamos dar nome aos bois. As nanopartículas luminescentes às quais me refiro são conhecidas como pontos quânticos (ou quantum dots, em inglês). Elas nada mais são que nanocristais de materiais semicondutores, tais como sulfeto de cádmio (que é um pigmento laranja). Não é a toa que os chamamos de PONTOS – seu tamanho está na faixa de 1 a 20 nm (o que é bem menor que o vírus da influenza A, por exemplo). Nos nanocristais, mais de 70 % dos átomos estão na sua superfície, coisa que não acontece na macroescala. Esse fato muda a forma como as transições eletrônicas (ou seja, o afastamento e a reaproximação dos elétrons em relação ao núcleo dos átomos) ocorrem no semicondutor. É por isso que sulfeto de zinco em pó (que é preto) não é capaz de emitir luz, mas nanocristais de sulfeto de zinco emitem luz que é uma beleza! O mais legal é que a cor da luz emitida depende de como as transições eletrônicas ocorrem e, portanto, varia conforme o tamanho da partícula. As transições eletrônicas também dependem do tipo de semicondutor utilizado. Considerando isso tudo, fica claro que as propriedades ópticas do quantum dot podem ser alteradas conforme a necessidade mudando-se seu tamanho e o material que compõe sua superfície. É praticamente uma engenharia na nanoescala!

EMISSÃO DE LUMINESCÊNCIA DE SOLUÇÕES DE QUANTUM DOTS DE CdSe/ZnS. O TAMANHO AUMENTA DE 2 A 6 nm DA ESQUERDA PARA A DIREITA

(Fonte: Tomzak e colaboradores, 2009).

Quantum dots podem ser utilizados como sensores químicos para detectar microrganismos patogênicos e toxinas. Quantum dots ligados a anticorpos foram capazes de detectar os microrganismos Cryptosporidium parvum e Giardia lamblia em água. A figura abaixo mostra a cor verde emitida pelos quantum dots ligados a C. parvum e a cor vermelha emitida por aqueles ligados a G. lamblia. A vantagem desses quantum dots frente aos corantes tradicionais é que eles podem ser empregados para qualquer tipo de microrganismo com alta especificidade e são menos susceptíveis a interferentes.

(Fonte: Zhu e colaboradores, 2004)

Quantum dots ligados a oligonucleotídeos podem reconhecer sequências-alvo no DNA. Dessa forma, a identificação de sequências-alvo específicas no material genético foi feita empregando-se combinações de quantum dots de diferentes cores e com capacidade de emitir luz em diferentes intensidades para cada cor. Usando 6 cores e 10 intensidades, é possível obter um milhão de combinações! A identificação de certos alvos na estrutura do material genético poderia permitir o diagnóstico de doenças decorrentes de mutações, tais como certos cânceres. Há potencial na idéia, mas para isso é fundamental ter à disposição uma biblioteca de ligantes (oligonucleotídeos ou anticorpos) capazes de reconhecer os alvos específicos na estrutura do DNA.

O uso dos quantum dots para medir a atividade de certas enzimas é outra aplicação interessante na área de diagnóstico. Quantum dots foram ligados a um oligopeptídeo, que por sua vez foi marcado com rodamina (um corante fluorescente tradicional). Na presença de proteases (enzimas que quebram peptídeos) ocorreu a quebra do oligopeptídeo que unia o quantum dot e a rodamina. Isso alterou a cor do quantum dot, que passou de laranja a verde. Se não houvesse proteases na amostra, a cor do quantum dot não se alteraria. Quanto maior a concentração de protease, maior a intensidade da cor verde. O tipo de oligopeptídeo usado é escolhido em função da enzima específica que se quer detectar (porque essa quebra é altamente seletiva). Com esse teste, os autores puderam diferenciar células normais de células de câncer de mama in vitro em menos de 15 min, porque a atividade de proteases em células cancerosas é maior que em células normais.

Achou bacana? Pois saiba que ainda não acabou. Tem mais sobre quantum dots aplicados à área médica no próximo post!

(Continua no próximo post)

Referências:

Tomczak, N., Jańczewski, D., Han, M., & Vancso, G. (2009). Designer polymer–quantum dot architectures Progress in Polymer Science, 34 (5), 393-430 DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2008.11.004


Han, M., Gao, X., Su, J., & Nie, S. (2001). Quantum-dot-tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules Nature Biotechnology, 19 (7), 631-635 DOI: 10.1038/90228


Zhu, L., Ang, S., & Liu, W. (2004). Quantum Dots as a Novel Immunofluorescent Detection System for Cryptosporidium parvum and Giardia lamblia Applied and Environmental Microbiology, 70 (1), 597-598 DOI: 10.1128/AEM.70.1.597-598.2004


Shi, L., De Paoli, V., Rosenzweig, N., & Rosenzweig, Z. (2006). Synthesis and Application of Quantum Dots FRET-Based Protease Sensors Journal of the American Chemical Society, 128 (32), 10378-10379 DOI: 10.1021/ja063509o

terça-feira, 7 de julho de 2009

Nanopartículas que emitem luz – parte I

No último sábado fui com os alunos e outros professores do Projeto Educacional Alternativa Cidadã (PEAC) ao Museu de Ciências e Tecnologia da PUC-RS. Acho que eu me diverti mais que os alunos, hehehe. Havia um experimento que mostrava como fenômenos que seguem uma distribuição normal acabam formando uma curva gaussiana. Outro mostrava como funciona a topologia de Möbius (algo que não vou explicar aqui para não cansar o leitor, mas eu queria muito registrar porque teria facilitado minha vida se eu tivesse visto esse experimento ANTES de estudar reações pericíclicas no doutorado, juro). Mais um: em dois tubos de vidro foram colocados dois objetos cada, uma bolinha e uma pena. No primeiro tubo havia ar como na atmosfera, no segundo havia uma quantidade mínima de ar para simular o vácuo. Dava pra ver direitinho que Newton tinha razão: independentemente da massa, dois corpos caem com a mesma velocidade no vácuo. Isso não acontece num ambiente com ar, que causa resistência – o que fez com que a bolinha caísse bem antes da pena. Simples e bacana.

Bem, vamos parar de enrolar e ir direto ao assunto. O que me motivou a escrever esse post foi um experimento de fotoquímica que vi lá: as pessoas se posicionam na frente de uma parede branca (que é um painel pintado com tinta fosforescente) e apertam um botão que dispara um flash, como se posassem para uma fotografia. As substâncias fosforescentes da tinta na parede absorvem a radiação luminosa proveniente do flash e a reemitem. A região da parede que corresponde à sombra da pessoa é a única que não recebe radiação luminosa do flash, então não reemite luz. O resultado é muito legal – a sombra da pessoa fica “retida” no painel por vários segundos. Essas tintas fosforescentes também são usadas em placas de sinalização de rodovias, interruptores elétricos e mostradores de relógios.

A reemissão de luz por certas substâncias é chamada de luminescência. A luminescência pode ser dividida em fosforescência e fluorescência. O fenômeno da fosforescência ocorre da seguinte maneira: uma fonte externa (que no caso do experimento era o flash) emite fótons, que são absorvidos pela molécula fosforescente; isso faz com que os elétrons da camada mais externa dos seus átomos se afastem do núcleo. Chamamos esse átomo com os elétrons mais afastados do núcleo de estado excitado. Como esse estado excitado dos átomos não pode durar para sempre, os elétrons voltam a se aproximar do núcleo aos poucos, liberando energia. Essa energia é a luz emitida. A fosforescência envolve mudança no spin do elétron, por isso a volta dos átomos ao estado fundamental - que é aquele com os elétrons mais próximos do núcleo - é relativamente lenta e a emissão de luz dura vários segundos. Já no caso da fluorescência também há reemissão de luz, porém a sua duração é muitíssimo mais curta (menos de 0,00001 segundo). Isso ocorre porque na fluorescência a absorção de energia não muda o spin do elétron.

E o que tudo isso pode ter a ver com nanobiotecnologia????
A resposta é.... muita coisa. É possível construir nanopartículas luminescentes que emitem luz numa cor característica quando há um estímulo específico. Essa propriedade tem sido utilizada de forma promissora para o diagnóstico apurado de certas doenças no corpo. Quer saber como isso funciona? Hummm, acho que vou criar um suspense! Os detalhes poderão ser conferidos no próximo post. ;-D

(continua no próximo post)

sexta-feira, 3 de julho de 2009

Porque divulgar ciência

O que vem à cabeça quando alguém fala a palavra cientista? Já sei, logo aparece a imagem de um ser esquisitão e absurdamente inteligente que usa jaleco meio sujo com um monte de canetas no bolso. Ah! Ele é meio descabelado e usa óculos, claro. Fala coisas que ninguém entende, trabalha quieto e sozinho num laboratório, mistura líquidos em tubos de ensaio (que explodem) e é capaz de inventar muitas coisas mirabolantes. Cheguei perto? Pois saiba que, embora até possa ser verdade a parte do jaleco meio sujo e da explosão em alguns casos (lembre que eu trabalho em um laboratório de química....), o resto não é bem assim. A pessoa que trabalha com ciência é como todas as outras: faz compras no supermercado, leva as crianças à escola, passa o domingo com a família, tem algum hobby (música, futebol, corrida, etc etc), fica no céu quando um amor é correspondido e sofre quando não é (pois é...), tem bons amigos com quem dividir uma boa piada, tem contas para pagar e por aí vai. Ah... e não é nenhum gênio. Apenas alguém muito curioso e determinado. Afinal ninguém nasce cientista, há um caminho a percorrer que leva vários anos e inclui graduação, mestrado, doutorado.

Nisso tudo há algo que não é tão obvio, mas é fundamental num cientista moderno: capacidade de se comunicar. Convenhamos, não faz o menor sentido descobrir a cura da AIDS no laboratório (exemplo hipotético) e não contar pra ninguém! É por isso que os cientistas vão a congressos, escrevem artigos (como os discutidos aqui nesse blog com o selinho do Research Blogging), dão palestras.... o negócio é contar o que se descobriu para todo o mundo! Mas será que o mundo todo entende o que os cientistas têm a dizer?

As descobertas científicas são um patrimônio da humanidade. Apesar disso, é engraçado pensar que a alta especialização do conhecimento criou um hermetismo às avessas. Embora qualquer informação que se deseje esteja no Google, esse oráculo moderno, quem é capaz de separar criticamente o que é consistente daquilo que é um tremendo engodo num campo específico da ciência??? Ora, os cientistas que trabalham com o assunto! E é por isso que cabe a eles “descomplicar” as coisas para quem não é especializado na área em questão (incluindo aqui cientistas que trabalham em outras áreas). O entendimento público da ciência é um direito, mas não só isso - a divulgação científica feita de forma responsável é também uma forma de combater o obscurantismo, as superstições e a ignorância; é uma forma de disseminar o pensamento crítico e desfazer fraudes.
Como já disse Carl Sagan, “é melhor acender uma vela do que maldizer a escuridão”.
Adendo 06/07/2009: Saiu um especial na revista Nature sobre Jornalismo Científico, muito bacana.