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Partículas magnéticas: O avanço das Técnicas Laboratoriais a partir da Biologia Sintética

Por Mateus Veiga

Aqui, você vai compreender melhor sobre a origem da Biologia Sintética e o potencial de uma das suas maiores ferramentas: as partículas magnéticas.



Introdução a Biologia Sintética

A partir dos grandes avanços tecnológicos e do entendimento biológico nas escalas moleculares, celulares, genéticas e fisiológicas, a Biologia Sintética emergiu como um campo que busca projetar e reconstruir seus próprios sistemas biológicos.

As aplicações da biologia sintética são diversas, se estendendo desde a manipulação de ecossistemas microbianos, passando pela formulação de processos industriais de síntese química sustentáveis até a otimização de práticas agrícolas para diminuir a necessidade de agrotóxicos. Além disso, um grande ramo dessa área se dedica ao diagnóstico e tratamentos de doenças, com grande potencial de impacto na saúde para as próximas décadas.

Além do interesse crescente em sistemas livre de células (Cell-free), desenvolvidos por meio de sistemas enzimáticos in vitro a biologia sintética busca auxiliar em processos de diagnóstico e tratamento envolvidos na Engenharia de Tecidos, Medicina Regenerativa, auxiliando nesse processo in vitro em modelos celulares complexos, como organóides e esferóides, e in vivo, podendo ser utilizados tanto em modelos animais quanto humanos.

Mas isso é seguro?

Pelo fato de criar novas formas de vida e ter impacto direto em organismos e ecossistemas, diversas implicações éticas e de segurança são atribuídas a projetos envolvendo a biologia sintética.

Junto à redução do custo das ferramentas envolvidas e do grande volume de dados gerados, o campo originou campos de pesquisas também na área das ciências sociais, que observa e discute as implicações desses avanços na sociedade e no meio ambiente. O termo “Pesquisa e Inovação Responsável” (Responsible Research and Innovation, RRI) foi estabelecido para caracterizar estudos que consideram multi-atores, incluindo por exemplo, cientistas sociais, especialistas em ética, artistas e pacientes durante todo o processo da pesquisa. A ideia aqui é acompanhar as atividades desde o seu desenvolvimento nas inscrições para obter financiamento até a realização do projeto final.


Por se tratarem, em alguns casos, de células sintéticas projetadas para limpar a poluição por plástico nos mares, ou células sintéticas projetadas para circular e caçar doenças no corpo humano, há um grande receio de que esses organismos artificiais possam não ser tão facilmente controlados. Assim, cuidados para limitações desses modelos são projetados, como organismos resistentes à salinidade do mar, mas sensíveis à água doce, ou morte celular programada por mudanças de temperatura fora da faixa fisiológica (37ºC) em organismos.


Além disso, estudos abordando a regulamentação legislativa dos países com relação à biologia sintética e padronizações na biossegurança para laboratórios que trabalham com biologia sintética têm ganhado espaço no meio científico, auxiliando no desenvolvimento de ferramentas eficazes e que, ao mesmo tempo, sejam seguras para a sociedade.


Início das partículas magnéticas na pesquisa e o que esperar daqui para frente

Dentre as ferramentas desenvolvidas para biologia sintética, as partículas magnéticas se destacam por serem uma das abordagens mais antigas e bem exploradas na pesquisa.

O primeiro uso de partículas magnéticas para aplicações biológicas foi descrito em 1977, para realizar ensaios rádio- e imuno-enzimáticos para separação de células, sendo um tema de grande interesse ao longo de toda a década de 1980. Atualmente, após décadas de avanços tecnológicos, foi possível caracterizar de maneira profunda as partículas magnéticas e seus efeitos a longo prazo em sistemas biológicos.

Dessa forma, conseguimos hoje mapear essas partículas magnéticas por meio de diversas marcações específicas. Dentre elas está a detecção por contraste da partícula magnética, observável a partir de ressonância magnética nuclear ou microtomografia. Também é possível ancorar fluoróforos, permitindo a visualização dessas partículas por meio de microscopia óptica de fluorescência. Isso tem sido útil não só para averiguar internalizações de compostos nas células (marcação celular) em modelos tradicionais de cultura, mas também analisar esse processo em modelos de cultura 3D complexos, como esferóides e organóides.

Além disso, a aplicação de partículas magnéticas permite o acompanhamento in vivo para aplicações de terapia celular, com acompanhamento de migração celular a longo prazo com qualidade de contraste de imagem que perdura de um a três meses. (dependendo do ciclo celular da célula estudada).

Paralelamente, modelos cada vez menores de partículas magnéticas foram desenvolvidas, atingindo a escala nanométrica atual das chamadas beads magnéticas (ou “grânulos” magnéticos), permitindo a separação magnética de unidades moleculares menores, como proteínas e DNA, a partir de beads magnéticas de até 10 nm.

Frente a outros sistemas de separação, as beads magnéticas se destacam por sua seletividade - obtida a partir de seu ancoramento a aptâmeros, anticorpos e peptídeos. Em comparação às tradicionais colunas de purificação associadas a diferentes tipos de afinidade, essas partículas permitem realizar a purificação das moléculas com um volume de material muito menor. Assim, pode-se desenvolver beads magnéticas para interagir com as impurezas e descartá-las, ou mesmo desenvolvê-las para interagir com a molécula de interesse, o que permite inclusive a reutilização das beads magnéticas.

Para além da separação de biomoléculas e marcação celular, o potencial das partículas magnéticas se multiplica a partir da combinação com outras ferramentas. Um exemplo interessante é a sua associação a sistemas microfluídicos para aplicações de nanomedicina. Inúmeros estudos têm utilizado as beads magnéticas ー associadas ao ligante de interesse ー para serem detectadas por meio de ondas acústicas, o que permite um manuseio não invasivo de amostra para detecção de proteínas, biomarcadores de doenças, DNA e microorganismos patogênicos.

Outro exemplo que ganhou bastante notoriedade foi a utilização de partículas magnéticas para permitir a movimentação de nanorobôs dentro de pulmões a partir da utilização de ímãs externos, sendo uma ferramenta poderosa para exames clínicos de diagnóstico.

Assim, ao atingir a escala nano e possuir tamanho, forma e componentes personalizáveis e escalonáveis, as nanopartículas magnéticas proporcionam uma versatilidade bastante interessante, atuando como materiais termoelétricos, agentes de imagem, veículos de liberação de drogas e biossensores.

O curioso aqui é que mesmo organizadas a partir de nanoestruturas, as beads magnéticas podem atingir escala de milímetros, podendo ser manipuladas.

Para o futuro, aprimoramentos de técnicas desenvolvidas nos últimos anos podem permitir a aplicação de partículas magnéticas para a biomedicina, assim como para agricultura e meio ambiente:

  • Catálise de reações, a partir da conjugação das partículas magnéticas com diversas biomoléculas como ácidos nucléicos, produtos químicos e enzimas

  • Erradicar biofilmes e tratar infecções de bactérias resistentes a antibióticos

  • Liberação direcionada de fármacos, reduzindo dose aplicada e efeitos colaterais associados

  • Purificação de águas a partir da remoção e/ou degradação de poluentes, corantes e micróbios.

  • Proteção agrícola contra doenças e atuando como fertilizantes para maximizar produção da safra

Além dessas aplicações, as partículas magnéticas são bastante atrativas para serem combinadas com outras ferramentas tecnológicas, permitindo que sejam utilizadas futuramente para aplicações que hoje não conseguimos nem mesmo estimar. Recentemente, a combinação de partículas magnéticas com a ferramenta de manipulação gênica de CRISPR, por exemplo, permitiu que pesquisadores intervissem de maneira específica em células tumorais, gerando um potencial para aplicações clínicas para o tratamento de câncer.

Por fim, vale reafirmar a importância e necessidade de padronização de plataformas específicas de ensaios clínicos e pré-clínicos, normas de biossegurança e até mesmo regulação legislativa do uso dessas ferramentas, além da investigação de seus efeitos a longo prazo, buscando um avanço seguro dessa tecnologia e suas aplicações.

Inserindo partículas magnéticas no seu projeto de pesquisa

Ficou interessado no potencial das partículas magnéticas para sua pesquisa? Aqui no iBench Market empresas brasileiras como a ECRA e a Loccus oferecem kits e estações magnéticas para extração de ácidos nucleicos. Por outro lado, a Magtech oferece o serviço de construção das beads magnéticas de acordo com a necessidade do cliente para diversas aplicações das áreas biológicas e da saúde, além de serem sensíveis a diversos métodos de detecção.

Além disso, possuímos em nosso catálogo esferas magnéticas da GenScript e da Abcam, que permitem realizar a purificação eficiente de proteínas e DNA com menor custo de materiais.

Referências

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