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Aprendiz de cientista e fascinada pelo nano(bio)mundo

Bala Mágica
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February 20, 2011
09:45 PM
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A revolução de 1911

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Você pode estar pensando:

"- Revolução? Em 1911? Fernanda enlouqueceu... tanto tempo longe do blog fez mal pra cabeça dela...".
ou

"-Bem, houve mesmo uma revolução na China em 1911.... mas como isso estaria relacionado à química ou à nanotecnologia? Bala Mágica por acaso virou blog de história agora? Fernanda enlouqueceu... tanto tempo longe do blog fez mal pra cabeça dela..."

Embora tenha mesmo ficado distante do blog porque meu lado rato-de-laboratório aflorou de forma particularmente intensa nos últimos tempos, ainda não perdi o juízo. Realmente acredito que uma revolução aconteceu em 1911, e não foi na China. Ora, vejamos.... há cem anos uma mulher ganhou o Prêmio Nobel de Química. Sim, a admirável pesquisadora franco-polonesa Marie Sklodowska-Curie. Admirável, por ser a primeira mulher a receber o título de Doutora em Ciências na Europa e ainda por cima ser a primeira pessoa a receber dois Prêmios Nobel na vida - de Física em 1903, pela descoberta da radioatividade, e de Química logo depois, pela descoberta dos elementos polônio e radio. Embora possa parecer, não é da revolução feminista que quero falar. Até porque sabemos que ela aconteceu só uns cinqüenta anos depois.

A revolução à qual me refiro começou sem armas, mas com muitos choques. Foi causada pela descoberta de novos espaços, mas sem tomada de territórios. Não ocorreu por iniciativa de ativistas políticos ou de um líder do povo, mas sim por causa de um pequeno grupo de físicos, na solidão de um laboratório na Universidade de Manchester (UK).

A saga começa cerca de 10 anos antes da data apontada no título desse post, quando os físicos Ernest Rutherford e Paul Villard classificaram diferentes tipos de radiação conforme sua capacidade de penetrar em objetos e causar ionização. A radiação foi dividida por esses cientistas em alfa, beta e .. adivinhe... gama. Destas, a radiação alfa é aquela que apresenta menor capacidade de penetração, podendo ser bloqueada por uma simples folha de papel. Podemos considerar essa radiação como sendo partículas com carga positiva e massa determinada - hoje, sabemos que partículas alfa nada mais são que dois prótons e dois nêutrons (ou seja, o núcleo de um átomo de hélio-4). Só para situar o leitor sobre o grau de conhecimento da época, ainda acreditava-se que os átomos eram formados por um mar de carga positiva contendo regiões pontuais de carga negativa (o famoso modelo do pudim de passas sobre o qual ouvimos falar na escola).

As partículas alfa podem ser obtidas a partir do decaimento de brometo de radio, um dos compostos radioativos descobertos por madame Curie. E foi justamente brometo de radio que os físicos Hans Geiger e Ernest Marsden utilizaram para produzi-las, num experimento famoso coordenado por Ernest Rutherford em 1909. Ao redor de uma folha de ouro muito fininha mesmo, foi disposta uma folha circular de sulfeto de zinco. A ideia era bombardear a tal folha de ouro fininha com partículas alfa, pra ver o que aconteceria. O sulfeto de zinco atuaria como uma espécie de filme fotográfico, marcando os locais para onde as partículas alfa seriam projetadas após o bombardeio. Qual seria a hipótese lógica para esse experimento na época? Todas as partículas alfa (cuja carga era positiva, já se sabia) atravessariam a folha de ouro, porque a carga positiva estaria bastante "espalhada" no pudim esférico que constituía os átomos, de forma que não haveria repulsão significativa de carga. Algumas partículas alfa poderiam sofrer alguns pequenos desvios, se encontrassem pelo caminho as "passas" de carga negativa mais concentrada ali presentes.

Surpreendentemente, os cientistas observaram não só o esperado, mas também algo completamente bizarro: algumas daquelas partículas alfa bombardeadas simplesmente ricochetearam de volta! Rutherford interpretou esse resultado no seu famoso artigo de 1911, como sendo causado pela presença de algo realmente muito denso e pequeno no centro do átomo, que impediria a passagem das partículas alfa numa colisão de frente. Esse "algo" provavelmente teria carga positiva também. E as cargas negativas? Bem, elas deveriam estar ali no átomo para neutralizar as cargas positivas. No entanto, muitas partículas alfa não foram desviadas, e se topassem com cargas negativas, necessariamente seriam desviadas (aquela velha história dos opostos, você sabe). Bem, se não bateu em nada positivo, nem em nada negativo, não bateu.... em nada! Sim, o átomo seria um sistema composto por um núcleo muito pequeno de carga positiva e massa considerável, envolto por um gigantesco espaço onde estariam os elétrons de carga negativa e um monte de ..... vazio. Tal qual uma bola de futebol no meio de um estádio, com apenas algumas centenas de pessoas nas arquibancadas, assim seria um átomo com seu núcleo e seus elétrons (os quais estariam nessa região imensa ao redor do núcleo, chamada eletrosfera). Definitivamente, os dias de analogia culinária para o átomo haviam acabado.

As ideias de Rutherford serviram como base para um novo entendimento sobre a estrutura da matéria. Desde então, tivemos um século de descobertas espantosas, e um salto gigantesco no âmbito da química - motivo mais que suficiente para um ano inteiro de celebração. Interessante como descobrir tudo e nada onde menos se esperava fez toda a diferença ...

[continua no próximo post .... ]

(a reflexão que resultou nesse post e no próximo veio de uma conversa sobre história da ciência, no meio de tantas outras, num desses dias de fevereiro... obrigada ao Fabiano pela inspiração e pelas ideias para esses textos)
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Geiger, H., & Marsden, E. (1909) On a Diffuse Reflection of the Formula-Particles. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 82(557), 495-500. DOI: 10.1098/rspa.1909.0054

Rutherford, E. (1911) The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Philosophical Magazine , 6(21), 669-688. info:/

June 21, 2010
12:40 PM
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Para que Bala Mágica? Use logo uma ARMA mágica, oras!

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Já me disse alguém que eu adoro um clichê. De fato, bala mágica é um dos cinco clichês científicos abomináveis que devemos jogar num buraco negro (hehehe). Então, que tal fazer um upgrade na expressão (e no conceito) e usar logo de uma vez... uma arma mágica! (Cuidado, hein leitor incauto! Estou bélica hoje)

A proposta do nome Arma Mágica recente, embora a ideia em si seja mais antiga. Seu argumento é baseado no fato de que o acúmulo do fármaco na região de vascularização do tumor em comparação com as demais regiões do corpo não significa necessariamente que ocorrerá uma distribuição eficiente do fármaco DENTRO do tumor. Note que esses conceitos realmente são diferentes. Lembra do efeito EPR? Se você tem fármaco encapsulado dentro de nanopartículas, e essas nanopartículas que circulam pelo sangue passam por uma região de tumor, elas se acumulam nesse local porque "escapam" da corrente sanguínea devido ao aumento dos espaços entre as células dos vasos da região tumoral - esse aumento localizado da permeabilidade dos vasos sanguíneos garante o acúmulo na superfície do tumor, mas não garante que as nanopartículas penetrarão profundamente nele.

É nesse ponto da história que entram peptídeos contendo a seqüência de aminoácidos arginina-glicina-aspartato. Tais peptídeos são capazes de se ligarem a integrinas (uma família de receptores celulares) presentes tanto no endotélio quanto no parênquima da região tumoral. Há dois tipos, o RGD e o iRGD. Cada letra corresponde a um aminoácido. O i do nome quer dizer que o peptídeo é quebrado depois de se ligar à integrina de um jeito tal que resulta na perda da sua afinidade com a dita integrina e ganho da afinidade por um outro receptor de membrana chamado neuropilina-1 (NRP-1). Quando uma molécula se liga à NRP-1, vai para dentro da célula. Nesse caso, a NRP-1 é como uma porta - para entrar é preciso se ligar a ela, ou melhor, girar a maçaneta. Dessa forma, o RGD pode ser usado para direcionar o fármaco para o local do tumor, mas o iRGD tem a vantagem de direcioná-lo E internalizá-lo.

Fármacos quimicamente ligados a peptídeos iRGD podem ser internalizados no tecido do tumor através desse um mecanismo ativo de endocitose, garantindo uma maior eficácia do tratamento (que ainda está em fase de estudo, não há tal tratamento disponível para a população ainda). Mas o mais interessante na minha humilde opinião é que o fármaco pode ser internalizado sem estar quimicamente ligado ao iRDG. Basta que ambos sejam administrados ao mesmo tempo. Isso é vantajoso porque às vezes modificações químicas na estrutura do fármaco podem comprometer sua atividade biológica. A co-administração do iRGD com nanopartículas contendo o fármaco também teve o mesmo efeito de aumento da eficácia biológica. O nanoencapsulamento se justifica no caso de fármacos com baixa afinidade pela água, pois pode reduzir efeitos adversos do tratamento por evitar o uso de co-solventes. Embora a ideia pareça realmente bastante promissora, ainda há muitas perguntas a serem respondidas quanto ao uso de seqüências iRGD para esse fim. Afinal, testes clínicos ainda não foram feitos, e o que vale para animais de laboratório pode não se repetir tão bem em humanos. É preciso verificar, a partir de estudos clínicos, se efeitos tóxicos não poderiam ser exacerbados pela ligação do iRGD a locais não-tumorais contendo integrinas. E isso não vale só para estudos envolvendo iRGD, mas para todos aqueles que utilizam a estratégia ligante-receptor (também conhecida como vetorização ativa).

Moral da história: renomear uma ideia que não é completamente nova com um nome chamativo e descolado dá o maior ibope.

OBS.: O tema foi dica do Takata

Feron, O. (2010). Tumor-Penetrating Peptides: A Shift from Magic Bullets to Magic Guns Science Translational Medicine, 2 (34), 34-34 DOI: 10.1126/scitranslmed.3001174

Sugahara, K., Teesalu, T., Karmali, P., Kotamraju, V., Agemy, L., Girard, O., Hanahan, D., Mattrey, R., & Ruoslahti, E. (2009). Tissue-Penetrating Delivery of Compounds and Nanoparticles into Tumors Cancer Cell, 16 (6), 510-520 DOI: 10.1016/j.ccr.2009.10.013

Sugahara, K., Teesalu, T., Karmali, P., Kotamraju, V., Agemy, L., Greenwald, D., & Ruoslahti, E. (2010). Coadministration of a Tumor-Penetrating Peptide Enhances the Efficacy of Cancer Drugs Science, 328 (5981), 1031-1035 DOI: 10.1126/science.1183057
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Feron, O. (2010) Tumor-Penetrating Peptides: A Shift from Magic Bullets to Magic Guns. Science Translational Medicine, 2(34), 34-34. DOI: 10.1126/scitranslmed.3001174

Sugahara, K., Teesalu, T., Karmali, P., Kotamraju, V., Agemy, L., Girard, O., Hanahan, D., Mattrey, R., & Ruoslahti, E. (2009) Tissue-Penetrating Delivery of Compounds and Nanoparticles into Tumors. Cancer Cell, 16(6), 510-520. DOI: 10.1016/j.ccr.2009.10.013

Sugahara, K., Teesalu, T., Karmali, P., Kotamraju, V., Agemy, L., Greenwald, D., & Ruoslahti, E. (2010) Coadministration of a Tumor-Penetrating Peptide Enhances the Efficacy of Cancer Drugs. Science, 328(5981), 1031-1035. DOI: 10.1126/science.1183057

May 26, 2010
11:14 AM
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Vacinas nanotecnológicas

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Ontem, no início da noite, perguntaram-me se eu já havia tomado a vacina contra o H1N1 e - se sim - como eu estava. Eu ainda não tinha tratado desse assunto aqui no blog por pura enrolação. Como o Ministério da Saúde prorrogou o calendário de vacinação até 2 de junho para todos os grupos já incluídos na campanha e também para novos grupos, como crianças de 2 a 4 anos, acho que ainda dá tempo de dar uma força para a campanha e deixar registrado que tomei a vacina contra a gripe A e estou aqui, viva, inteira e serelepe! E olhe que já faz um mês... O tempo de espera na fila de vacinação foi curto e tudo transcorreu tranquilamente. Foi justamente naquele momento fatídico que uma dúvida surgiu: "- posso beber álcool depois de me vacinar?" Brincadeira. Fiquei me perguntando se por acaso nanopartículas poderiam ter alguma utilidade na composição de vacinas de uma forma geral, no futuro.

Vacinas podem ser preparadas com o microrganismo atenuado ou com um pequeno pedaço dele (a isso chamamos antígeno). O antígeno presente na vacina gera uma resposta imunológica no organismo - é como se fosse um sinal de alerta para que os soldados se mantivessem prontos para o combate iminente. Só que alguns microrganismos conseguem burlar os soldados (anticorpos) porque geram sinais diferentes daquele da vacina conforme o tempo passa, seja por causa de mutações, seja porque apresentam diferentes estágios de maturação ao longo de seu ciclo de vida. É assim que acontece com a malária: a cada estágio de vida, o parasita gera um tipo diferente de "sinal". Um estudo propondo uma vacina para malária foi feito em humanos, em 2008. Os voluntários desse estudo desenvolveram imunidade contra a forma do parasita que fica na corrente sanguínea, mas não contra a forma que fica dentro das células do fígado. Nanopartículas contendo todos os "sinais" possíveis em sua superfície poderiam ser utilizadas em vacinas do futuro para uma imunização mais efetiva e em dose única, porque estimulariam a resposta imunológica contra o parasita em todos os seus estágios de maturação possíveis, ao mesmo tempo. O nome dessa estratégia é um belo trava-língua: estratégia multi-antigênica.

P.S.: Agora fale isso 3x mais rápido: estratégia multi-antigenica, estratégia multigenica, estratégia mutiatigenica, hehehe

Look, M., Bandyopadhyay, A., Blum, J., & Fahmy, T. (2010). Application of nanotechnologies for improved immune response against infectious diseases in the developing world☆ Advanced Drug Delivery Reviews, 62 (4-5), 378-393 DOI: 10.1016/j.addr.2009.11.011

Thompson, F., Porter, D., Okitsu, S., Westerfeld, N., Vogel, D., Todryk, S., Poulton, I., Correa, S., Hutchings, C., Berthoud, T., Dunachie, S., Andrews, L., Williams, J., Sinden, R., Gilbert, S., Pluschke, G., Zurbriggen, R., & Hill, A. (2008). Evidence of Blood Stage Efficacy with a Virosomal Malaria Vaccine in a Phase IIa Clinical Trial PLoS ONE, 3 (1) DOI: 10.1371/journal.pone.0001493
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Look, M., Bandyopadhyay, A., Blum, J., & Fahmy, T. (2010) Application of nanotechnologies for improved immune response against infectious diseases in the developing world☆. Advanced Drug Delivery Reviews, 62(4-5), 378-393. DOI: 10.1016/j.addr.2009.11.011

Thompson, F., Porter, D., Okitsu, S., Westerfeld, N., Vogel, D., Todryk, S., Poulton, I., Correa, S., Hutchings, C., Berthoud, T.... (2008) Evidence of Blood Stage Efficacy with a Virosomal Malaria Vaccine in a Phase IIa Clinical Trial. PLoS ONE, 3(1). DOI: 10.1371/journal.pone.0001493

April 28, 2010
12:30 AM
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Mundo, vasto mundo

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Mundo mundo vasto mundo,

se eu me chamasse Raimundo
seria uma rima, não seria uma solução.
Mundo mundo vasto mundo,
mais vasto é meu coração.

(Carlos Drummond De Andrade, " Poema de sete faces")

Adoro esse trecho do "Poema de sete faces", do Drummond. Por alguma razão qualquer, tenho pensado muito nele nos últimos tempos ... Coincidência ou não, hoje deparei-me com uma leitura capaz de ultrapassar a licença poética e a abstração desses lindos versos, até (pasme) seu significado literal.

O pessoal da IBM construiu um mapa 3D da Terra tão pequeno que 1000 deles juntos caberiam num espaço equivalente a um único grão de sal de cozinha. Isso corresponde a um globo terrestre com 22 micrometros de circunferência no equador. Nessa escala, uma elevação de 8 nanometros equivale a 1000 metros de altitude. Tal mapa é composto de 500000 pixels, cada um com 20 nanometros quadrados, e foi esculpido na superfície de um polímero derivado de ftalaldeído sensível ao calor, por meio de microscopia de força atômica. Adivinhe quanto tempo levou para construi-lo? Míseros 2 min e 23 s !!!!

Obviamente, esta não foi das mais fáceis tarefas - um novo equipamento foi construído para concretizar esse projeto. Uma das grandes sacadas foi aquecer a ponta do cantilever do microscópio de forma que, por onde ele passasse, fosse gerando sulcos por causar uma despolimerização pontual na superfície do "micro-bloco de polímero". É como ter um bloco de gelo e ir modelando-o com uma ferramenta aquecida na ponta e bem fininha, para alcançar um alto nível de detalhamento. A diferença é que nessa nossa escultura de gelo imaginária, apenas mudamos o estado físico da água (não há rompimento de ligações entre os átomos de hidrogênio e oxigênio que formam a molécula de água) - já no caso do micro-globo terrestre, a "ferramenta aquecida" (entenda-se a ponta do cantilever) foi capaz de romper ligações covalentes do polímero (ou seja, rompeu as ligações que unem os átomos).

Uma curiosidade: quando os autores do trabalho mencionaram aquecimento, eles não estavam brincando - utilizou-se uma temperatura de 700 graus Celsius para modelar o mapa 3D...

(A) Topografia do globo terrestre em 3D (observe a escala!); nos detalhes (B e C), é possível ver os Alpes, o Mar Negro, as montanhas do Cáucaso e o Himalaia.

A imagem D corresponde à seção transversal indicada pela linha pontilhada branca no mapa maior (imagem A), com sua correspondência de escalas (nanometro x kilometro quanto à altura, e micrometro x kilometro, quanto à distância).

Referência:

Knoll, A., Pires, D., Coulembier, O., Dubois, P., Hedrick, J., Frommer, J., & Duerig, U. (2010). Probe-Based 3-D Nanolithography Using Self-Amplified Depolymerization Polymers Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.200904386 Read the comments on this post...

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Knoll, A., Pires, D., Coulembier, O., Dubois, P., Hedrick, J., Frommer, J., & Duerig, U. (2010) Probe-Based 3-D Nanolithography Using Self-Amplified Depolymerization Polymers. Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.200904386

March 28, 2010
11:53 PM
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(nano-) Casulos de Dragão

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Tailândia, Indonésia, Filipinas, Coréia do Sul, Vietnã, China. Por alguma razão que não sei explicar muito bem, se me perguntassem que país eu gostaria de conhecer primeiro (ainda não tive a oportunidade de sair do Brasil), citaria um destes países asiáticos, sem pestanejar. Talvez o mais fascinante de todos seja a China. Na província de Yunnan, sudoeste da China (perto de Laos e Vietnã), é fabricado um tipo muito peculiar de chá que, ironicamente, faz muito mais sucesso no seu vizinho Japão - cujos nativos são notórios pelo bom-gosto estético. Esse chá é preparado da seguinte maneira: ainda úmidas, as folhas de Camellia sinensis (nome científico do chá) são arranjadas como uma bola, contendo uma flor dentro de si. Após passar pelo processo de secagem, oxidação e cozimento, o resultado é uma espécie de casulo que, quando submerso em água fervente, expande-se lentamente simulando o desabrochar de uma flor. Durante esse processo, que pode levar de 1 a 10 minutos, substâncias presentes no casulo difundem para a água, que se converte no delicioso chá. Devido ao seu formato, essas bolas de chá são conhecidas na China como Casulos de Dragão.

Legal, né? Sabia que temos algo parecido ao Casulo de Dragão no nano(bio)mundo?

Não, não é delírio de uma mente insana. Para explicar essa improvável similaridade, permita-me um parênteses. Já ouviu falar em óxido nítrico? Ele é um gás produzido naturalmente pelo corpo, capaz de aumentar a resposta imunológica contra infecções, estimular a cura de feridas e aumentar o fluxo de sangue através da dilatação das veias. O problema do óxido nítrico é que ele é um gás com vida curta no organismo. Para tirar o máximo proveito dele, o ideal seria construir um dispositivo capaz de armazená-lo e de liberá-lo num ponto desejado do organismo aos poucos, para um efeito mais duradouro.

Aí é que entram os "nano-casulos de dragão".* Pesquisadores do Albert Einstein College of Medicine (New York, USA) desenvolveram nanopartículas capazes de carregar óxido nítrico e liberá-lo de uma maneira que lembra as famosas bolas de chá chinesas. Quando aplicadas na pele, essas nanopartículas absorvem água, incham e começam a liberar o óxido nítrico de forma sustentada no local desejado.

E os resultados são muito promissores! Por quatro dias, ratos com abscessos causados por bactérias resistentes a antibióticos foram tratados com nanopartículas contendo óxido nítrico, nanopartículas "vazias" (sem óxido nítrico) ou placebo. Apenas o grupo de ratos tratados com nanopartículas contendo óxido nítrico apresentou melhora significativa dos abscessos - ou seja, eles ficaram livres da infecção e suas feridas cicatrizaram.**

Além de ser uma futura possibilidade de tratamento para infecções de bactérias resistentes a antibióticos (hoje o único tratamento nesses casos consiste em drenagem cirúrgica), as nanopartículas contendo óxido nítrico também poderiam ser utilizadas como tratamento tópico para disfunção erétil, já que óxido nítrico aumenta o fluxo sanguíneo dos tecidos. Será que o famoso azulzinho está com os dias contados?

P.S. (sempre tem um...):
* Embora as nanopartículas inchem tal qual um casulo de dragão em contato com a água, o termo "nano-casulos de dragão", esse sim, saiu da mente insana desta blogueira e, em nenhum momento, foi sugerido pelos autores do estudo.
**É importante salientar que este é um estudo feito em animais, ainda há um longo caminho para algo assim chegar ao mercado e estar disponível para a população.

Fonte:

Han G, Martinez LR, Mihu MR, Friedman AJ, Friedman JM, & Nosanchuk JD (2009). Nitric oxide releasing nanoparticles are therapeutic for Staphylococcus aureus abscesses in a murine model of infection. PloS one, 4 (11) PMID: 19915659 Read the comments on this post...

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Han G, Martinez LR, Mihu MR, Friedman AJ, Friedman JM, & Nosanchuk JD. (2009) Nitric oxide releasing nanoparticles are therapeutic for Staphylococcus aureus abscesses in a murine model of infection. PloS one, 4(11). PMID: 19915659

February 11, 2010
11:53 PM
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Nanocoisas violando uma lei da física?

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

[continuando o post anterior...]

Imagine que você está acompanhando a trajetória de uma bola de pingue-pongue - o espaço tridimensional que corresponde ao seu campo de observação é muito semelhante ao que os físicos chamam de espaço de fase, utilizado para acompanhar a trajetória de uma partícula numa simulação de computador. Se soubermos qual é a velocidade e a posição de uma partícula em um tempo inicial qualquer e conhecermos quais equações regem o seu movimento, podemos prever as trajetórias passada e futura dessa partícula. Isso é possível porque as equações de movimento são reversíveis. No entanto, a segunda lei da termodinâmica determina que "a quantidade de entropia de qualquer sistema isolado (fora do equilíbrio) tende a aumentar até atingir um máximo (que corresponde ao seu estado de equilíbrio)" Epa! Percebeu que há algo que aparentemente não fecha nessas duas teorias? Se a entropia tende a aumentar a partir de um tempo inicial, então o desenrolar do movimento da tal partícula mencionada acima vai elevar a entropia do sistema, tanto na direção do passado quanto na direção do futuro (porque as equações de movimento são reversíveis). Se você lembra do que já foi escrito aqui a respeito da seta do tempo, deve ter captado o paradoxo.

Se formos bem criteriosos tal qual o Roberto Takata, observaremos que a definição da segunda lei poderia ser mais adequadamente descrita considerando seu aspecto probabilístico, ao afirmar que na verdade ela apenas quer dizer que "é extremamente improvável que a entropia de um sistema fechado decresça em um dado instante".

(não desanime! continue lendo, vai valer a pena! por favor?)

Ora, a grosso modo, para tempos relativamente longos e sistemas grandes, a probabilidade de redução da entropia é ridiculamente desprezível e, nessas condições, pode-se considerar sem medo de ser feliz que ela sempre aumenta até atingir um máximo. A questão toda - e esse é o ponto-chave da coisa toda - é que tal probabilidade já não é tão desprezível assim para sistemas muito pequenos em tempos muito curtos. Pasme como eu, leitor: nesses casos, a entropia pode ser CONSUMIDA ao invés de produzida (daí o termo "violação" da segunda lei)

Uma equação matemática foi proposta em 1993 por Evans e colaboradores para predizer "violações" mensuráveis e relevantes da segunda lei para sistemas numa escala pequena de tamanho durante curtos períodos de tempo. Eles a chamaram de teorema das flutuações, porque se refere às flutuações do grau de entropia de um sistema em relação a uma média. Parece difícil entender isso à primeira vista, mas é como pensar na loucura do clima: em alguns dias chove, em outros faz um sol danado (flutuações) e na média um mês pode ser chuvoso, seco, etc. O fato de que um mês qualquer foi muito chuvoso não quer dizer que em nenhum momento desse período fez um belo dia de sol. Capiche? A ideia é genial, mas o fato é que NENHUMA demonstração experimental desse teorema havia sido feita. Até agora.

And now, the conclusion.

Wang e colegas conseguiram realizar essa façanha em 2002. Ao acompanhar a trajetória de nanopartículas de látex suspensas em água, empregando uma "armadilha óptica" composta por feixes de laser, eles demonstraram experimentalmente o "consumo espontâneo" de entropia em sistemas com distância coloidal (de poucos nanômetros) em tempos da ordem de segundos. Os resultados experimentais foram muito semelhantes àqueles obtidos por simulação de computador. De acordo com os autores, os resultados obtidos podem ajudar a entender como funcionam os motores de proteínas e também as nanomáquinas que o homem eventualmente construirá.

O teorema das flutuações indica que transformar máquinas macroscópicas em máquinas microscópicas não é uma simples questão de redução de escala. Quanto menores esses dispositivos, maior é a probabilidade de que funcionem de forma "termodinamicamente reversa" àquela esperada para a escala macroscópica. Se construirmos nanomáquinas, precisamos considerar que elas estarão sujeitas a esse efeito. Da mesma forma, as nanomáquinas "biológicas" dentro das nossas células devem tirar algum proveito disso tudo. Portanto, a resposta à pergunta feita pelo Joao é que o teorema das flutuações tem sim importantes implicações para a nanotecnologia e - nas palavras dos autores - também no próprio entendimento de como funciona a vida.

Um P.S. importante: Antes que alguém mais imaginativo encha-se de esperanças ao ler esse texto, é bom deixar claro que nanomáquinas jamais poderiam ser moto-perpétuos, pois ao longo do tempo a probabilidade média de aumento da entropia é cada vez maior. É, meu amigo, não tem jeito... A segunda lei é inexorável!

Evans, D., Cohen, E., & Morriss, G. (1993). Probability of second law violations in shearing steady states Physical Review Letters, 71 (15), 2401-2404 DOI: 10.1103/PhysRevLett.71.2401

Wang, G., Sevick, E., Mittag, E., Searles, D., & Evans, D. (2002). Experimental Demonstration of Violations of the Second Law of Thermodynamics for Small Systems and Short Time Scales Physical Review Letters, 89 (5) DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.050601

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Evans, D., Cohen, E., & Morriss, G. (1993) Probability of second law violations in shearing steady states. Physical Review Letters, 71(15), 2401-2404. DOI: 10.1103/PhysRevLett.71.2401

Wang, G., Sevick, E., Mittag, E., Searles, D., & Evans, D. (2002) Experimental Demonstration of Violations of the Second Law of Thermodynamics for Small Systems and Short Time Scales. Physical Review Letters, 89(5). DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.050601

December 27, 2009
01:56 PM
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Saúde !

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Semana de recesso entre o Natal e o Ano Novo é sempre assim: muita comida, muita bebida, preguiça .... Por que fugir desses temas, não é mesmo? Falemos de comida e de bebida! Tenho muita curiosidade em experimentar as culinárias grega e turca (melhor ainda se fosse in loco, não?)

Os gregos e os turcos têm o costume de oferecer mezedes, que são porções de antepastos, para acompanhar uma bebida antes das refeições. As bebidas preferidas dos gregos e dos turcos nessas ocasiões são o ouzo e o raki, respectivamente. Elas são uma espécie de aguardente com essência de anis, e podem ser degustadas puras ou adicionadas de água. No último caso, a mistura adquire uma cor esbranquiçada. É por isso que o raki é conhecido como "leite de leão" lá na Turquia (sem piadinhas infames nesse momento, hein?). Isso também ocorre com outra bebida dessa parte do mundo, o arak árabe, que é conhecido como "leite de camelo" pelos mesmos motivos.

Achei um vídeo um tanto quanto tosco de japinhas felizes preparando uma dose de raki. Observe que o camarada do vídeo mistura água (incolor) ao raki puro (incolor). Nesse momento, ocorre a formação instantânea da mistura leitosa.

Em média, essas bebidas têm de 40 a 50 % de teor alcoólico, e todas contêm essência de anis, que é um óleo essencial. Quando água é adicionada à bebida, o óleo de anis (que estava solúvel na bebida) se torna insolúvel devido ao excesso de água. No entanto, como a água e o álcool se misturam, o óleo de anis se organiza na forma de gotas extremamente pequenas. O resultado é uma mistura com aspecto leitoso, devido ao espalhamento da luz pelas gotas de óleo. O processo de formação dessa mistura foi estudado e batizado de Efeito Ouzo pelo grupo de pesquisadores liderados por Joseph Katz (Johns Hopkins University Baltimore, USA), em homenagem à bebida grega (se você ouvir falar por aí em emulsificação espontânea, saiba que é a mesma coisa).

O princípio termodinâmico que explica a formação e a estabilidade dessas emulsões está relacionado com o diagrama de fases de uma mistura complexa. O álcool, a água e o óleo de anis estarão ou não solúveis de acordo com a concentração de cada um na mistura. Se um dos componentes não estiver solúvel, a mistura pode ser instável (com separação das fases, tal como óleo de soja e vinagre misturados grosseiramente) ou estável (se o tamanho das gotas de óleo for muitíssimo pequeno). O interessante do Efeito Ouzo é que ele permite não só o preparo de uma bebida para deleite de gregos, turcos e admiradores, mas também a obtenção de nanopartículas capazes de liberar fármacos no organismo. Sim, caro leitor, esse princípio é usado em laboratório para preparar nanocápsulas poliméricas: um solvente orgânico capaz de se misturar em água (ex. álcool, acetona) contendo óleo, polímero e fármaco, é vertido em água contendo um tensoativo (uma espécie de estabilizante) e... voilá! Nanocápsulas novinhas saindo!!!

Bem, depois desse papo todo a respeito de comidas, bebidas e - ok - nanocoisas, só resta desejar uma boa e preguiçosa semana. Como diriam os turcos antes de um gole de raki:

"Şerefinize! Afiyet olsun!"

P.S.: Eu nunca testei, mas provavelmente a brincadeira dos japinhas do vídeo possa ser feita também com absinto.

Ganachaud, F., & Katz, J. (2005). Nanoparticles and Nanocapsules Created Using the Ouzo Effect: Spontaneous Emulsification as an Alternative to Ultrasonic and High-Shear Devices ChemPhysChem, 6 (2), 209-216 DOI: 10.1002/cphc.200400527

Vitale, S., & Katz, J. (2003). Liquid Droplet Dispersions Formed by Homogeneous Liquid−Liquid Nucleation: "The Ouzo Effect" Langmuir, 19 (10), 4105-4110 DOI: 10.1021/la026842o

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Ganachaud, F., & Katz, J. (2005) Nanoparticles and Nanocapsules Created Using the Ouzo Effect: Spontaneous Emulsification as an Alternative to Ultrasonic and High-Shear Devices. ChemPhysChem, 6(2), 209-216. DOI: 10.1002/cphc.200400527

Vitale, S., & Katz, J. (2003) Liquid Droplet Dispersions Formed by Homogeneous Liquid−Liquid Nucleation: “The Ouzo Effect”. Langmuir, 19(10), 4105-4110. DOI: 10.1021/la026842o

December 20, 2009
08:00 PM
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Movimentos peristálticos autônomos... de um gel polimérico!

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Não, não se trata de um episódio de seriado de ficção científica. Lembra do post anterior sobre sistemas longe do equilíbrio e como as flutuações afetam a sua evolução? Pois é, não são apenas seres vivos que podem ser evocados como exemplos de estruturas dissipativas (na verdade, muitas estruturas organizadas do universo podem ser classificadas como tal). Na década de 1950, o químico russo Boris Belousov descobriu que uma combinação de ferroína e determinados bromatos, sulfatos e ácidos numa concentração específica resultam em uma reação química oscilatória. O filme abaixo ilustra bem esse processo: observe que após o início da reação, há a formação de círculos que se expandem de forma padronizada e só desaparecem quando todo o reagente é consumido.

[filme]

Por não saber explicar esse fenômeno, Belousov teve seu trabalho rejeitado por editores de revistas científicas da época, e acabou publicando seus dados em uma revista pouco respeitada. Em 1961, o estudante de pós-graduação Anatol Zhabotinsky redescobriu essa reação, e por isso ela é atualmente chamada reação de Belousov-Zhabotinsky, ou reação BZ. Hoje, à luz de trabalhos como o de Ilya Prigogine, sabe-se que essa reação pode ser explicada como um sistema longe do equilíbrio termodinâmico e as estruturas circulares formadas na reação são exemplos de estruturas dissipativas. Cada cor corresponde a um composto formado na reação. Fica fácil ver que os círculos são formados porque os compostos são produzidos de forma cíclica (ou seja, de forma oscilatória).

Cientistas japoneses acharam uma forma muito criativa de usar a reação BZ para gerar movimento peristáltico em géis de poliacrilamida, tal qual aquele feito por organismos vivos. A poliacrilamida é um polímero que responde às mudanças de calor, inchando ou desinchando conforme a temperatura do ambiente. Pois bem, na reação BZ ocorre a liberação de calor durante a formação dos produtos. Como a reação BZ é cíclica, a liberação de calor também é cíclica. Você já adivinhou a ideia dos japoneses? Sim, eles imergiram uma solução aquosa contendo quase todos os reagentes da reação BZ num gel de poliacrilamida. Ao adicionar os reagentes que faltavam, a reação começou, gerando ondas cíclicas de calor induzidas pela reação BZ. Essas ondas de calor produziram inchamentos e desinchamentos periódicos no gel, tal qual um movimento peristáltico.

[imagem 1]

Esse movimento peristáltico possibilitou o transporte de pequenos objetos de forma controlada. Observe o cilindro na figura abaixo - ele se movimenta rolando. É como deslizar o dedo ao longo de um canudinho para empurrar para fora todo o resto de suco que há dentro dele, só que, ao invés de deslizar o dedo de forma contínua, você vai apertando o canudinho ao longo de toda a sua extensão - ao fazer isso, você está gerando movimentos peristálticos que vão empurrando o resto de suco para fora.

[imagem 2]

No futuro, essa idéia poderia ser aperfeiçoada e empregada no desenvolvimento de nanomáquinas capazes de transportar matéria de forma autônoma. Genial, não é?

Agradecimento ao Prof. Paulo Netz, pela leitura crítica desse texto
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Maeda, S., Hara, Y., Yoshida, R., & Hashimoto, S. (2008) Peristaltic Motion of Polymer Gels. Angewandte Chemie International Edition, 47(35), 6690-6693. DOI: 10.1002/anie.200801347

November 8, 2009
08:37 AM
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Para chegar ao cérebro, só com passe VIP!

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Pode não parecer à primeira vista, mas para um fármaco chegar ao cérebro, ele precisa ser especial. Está pensando que é qualquer um que pode passar pela barreira hematoencefálica?Se a última palavra embaralhou, eu explico: barreira hematoencefálica nada mais é que o conjunto de células super-ultra-mega unidas que compõem os vasos sanguíneos do cérebro. Os espaços entre essas células são tão pequenos que praticamente nada as atravessa. Você deve estar pensando: como os nutrientes que estão no sangue chegam ao cérebro, se nada passa pela barreira? Moléculas maiores, como a glicose, passam do sangue para o tecido cerebral através de mecanismos especiais sofisticados, envolvendo "transportadores" que permitem sua passagem de forma seletiva. Moral da história: a entrada de substâncias no cérebro é algo altamente controlado, e não é para qualquer molécula não!A barreira hematoencefálica é uma complicação a mais para quem desenvolve novas moléculas para o tratamento de doenças cerebrais - é preciso que o fámaco chegue no local da doença para poder agir. Se é difícil fazer uma molécula atravessar a barreira, a nanobiotecnologia pode dar a ela um passe VIP e facilitar as coisas: quando encapsulamos uma molécula em uma nanopartícula e revestimos a mesma com polissorbato 80, conseguimos fazer com que ela atravesse a barreira hematoencefálica e atinja o tecido cerebral.Quer um exemplo dessa estratégia? Pesquisadores da Índia e da Malásia encapsularam rivastigmina, um fármaco usado no combate ao Mal de Alzheimer, em nanopartículas poliméricas. Metade das nanopartículas foi revestida com 1% de polissorbato 80 e outra metade não foi. Ratos foram tratados de três maneiras diferentes: 1) com rivastigmina não-encapsulada, 2) com rivastigmina em nanopartículas poliméricas sem polissorbato 80, e 3) com rivastigmina em nanopartículas poliméricas revestidas por polissorbato 80. O resultado pode ser visto claramente no gráfico abaixo:As setas coloridas, cuja adição na figura é por minha conta, indicam a concentração de fármaco que atravessou a barreira hematoencefálica e chegou ao tecido cerebral. A seta vermelha aponta para o fármaco encapsulado em nanopartículas revestidas com polissorbato 80. Fica evidente que a concentração de fármaco no cérebro, neste caso, é muito maior que aquela proporcionada pela encapsulação em nanopartículas sem polissorbato 80 (seta verde). Por sua vez, encapsular a rivastigmina em nanopartículas sem polissorbato 80 (seta verde) dá o mesmo resultado que administrá-la da forma convencional - sem uso da nanotecnologia (seta amarela). A conclusão? Nanopartículas revestidas com polissorbato 80 fizeram com que mais fármaco chegasse ao tecido cerebral - isso é positivo, ja que mais fármaco no local de ação aumenta a eficácia do tratamento. Essa estratégia é válida não só para o Mal de Alzheimer, mas também para tumores e outras desordens cerebrais.Uma pequena observação...Como fica evidente no gráfico, a rivastigmina chegou a outros locais além do cérebro: fígado, baço, pulmões, rins. Isso demonstra que nem sempre é possível atingir o ideal, que é fazer com que o fármaco chegue apenas ao local de ação no corpo (no caso, o cérebro). Embora mais fármaco chegue ao cérebro usando a estratégia do polissorbato 80, o paciente não estará livre de potenciais efeitos adversos causados pela chegada do fármaco em outros locais que não são o alvo, tal qual já acontece em um tratamento convencional que não emprega nanotecnologia. WILSON, B., SAMANTA, M., SANTHI, K., KUMAR, K., PARAMAKRISHNAN, N., & SURESH, B. (2008). Poly(n-butylcyanoacrylate) nanoparticles coated with polysorbate 80 for the targeted delivery of rivastigmine into the brain to treat Alzheimer's disease Brain Research, 1200, 159-168 DOI: 10.1016/j.brainres.2008.01.039 Read the comments on this post...

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WILSON, B., SAMANTA, M., SANTHI, K., KUMAR, K., PARAMAKRISHNAN, N., & SURESH, B. (2008) Poly(n-butylcyanoacrylate) nanoparticles coated with polysorbate 80 for the targeted delivery of rivastigmine into the brain to treat Alzheimer's disease. Brain Research, 159-168. DOI: 10.1016/j.brainres.2008.01.039

September 13, 2009
02:03 PM
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Como controlar a liberação de substâncias ativas usando laser

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Você descobre que tem uma doença e seu médico diz que você precisa tomar uns 5 medicamentos diferentes. Detalhe: um deles deve ser tomado a cada 8h, outro a cada 6h, outro a cada 24h, etc etc. Agora imagine que você possa combinar todos esses medicamentos em uma única pílula - essa pílula, dentro do seu corpo, liberaria cada substância ativa num determinado horário sem a necessidade de qualquer interferência sua. Seria um medicamento deveras inteligente, não? Pesquisadores do MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA) bolaram um sistema capaz de liberar diferentes substâncias ativas em diferentes horários - ok, com a necessidade de interferência do paciente, mas mesmo assim o resultado foi muito bacana. O estudo partiu de dois princípios: 1) quando nanopartículas de ouro são expostas à radiação infravermelha, elas podem fundir, 2) nanopartículas de diferentes formatos fundem em comprimentos de onda da radiação infravermelha diferentes. Só para lembrar, o comprimento de onda de uma radiação qualquer está relacionado com o quanto ela é energética (quanto maior é o comprimento de onda, menor é a energia da radiação). Nesse estudo, fragmentos de DNA foram presos à superfície de nanopartículas de ouro cilíndricas com dois diferentes formatos ...... Read more »

Wijaya, A., Schaffer, S., Pallares, I., & Hamad-Schifferli, K. (2009) Selective Release of Multiple DNA Oligonucleotides from Gold Nanorods. ACS Nano, 3(1), 80-86. DOI: 10.1021/nn800702n

September 8, 2009
09:22 AM
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Híbridos de nanodispositivos e sistemas biológicos existem?

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Como já comentei aqui, nanochips cerebrais cyberpunk ainda estão muito longe de existir. Mas isso não quer dizer que esforços não tem sido feitos para tentar integrar sistemas biológicos com dispositivos construídos pelo homem na escala nanométrica. Há cerca de 1 mês atrás a Tati Nahas me enviou um link muito interessante e, enrolada que sou, ainda não tinha escrito nada a respeito. Pois bem, o link em questão é da Nature News - pesquisadores dos Estados Unidos construíram uma plataforma híbrida de nanofibras de silício mergulhadas em uma bicamada lipídica. Essa plataforma é capaz de converter sinais elétricos em sinais iônicos. ... Read more »

Misra, N., Martinez, J., Huang, S., Wang, Y., Stroeve, P., Grigoropoulos, C., & Noy, A. (2009) From the Cover: Bioelectronic silicon nanowire devices using functional membrane proteins. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(33), 13780-13784. DOI: 10.1073/pnas.0904850106

September 1, 2009
10:43 AM
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Problemas de memória? Saiba como ter uma memória eterna...

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Você lembra daquele filme chamado Curso de Verão, que sempre passava na Sessão da Tarde? Não...? Então dê uma olhadinha numa das partes mais hilárias e confira se você já não passou por essa situação:
(filme youtube)
-"O que são ovos?" -"Como a gente escreve gato?" -"Eu não sei!"
Hahahaha, está bem, você nunca passou por algo assim, mas...
Que tal se existissem nanorrobôs capazes de alterar a memória das pessoas, fazendo com que elas nunca esquecessem de coisas pré-determinadas? Útil para uma prova? Perfeito para nunca mais esquecer os intermináveis aniversários que sua namorada insiste em lembrar? Assustador e forte indicativo de que o mundo vai acabar? Não, não se preocupe - estamos muuuuito longe de sequer pensar como isso poderia ser feito. Mas de certa forma, a humanidade tem usado registros de memória há alguns milênios - papiros, livros, fitas cassete, DVDs! A equipe do professor Alex Zettl da Universidade de Berkeley (USA) criou um protótipo de memória digital formada por uma nanopartícula de ferro inserida dentro de um nanotubo de carbono. Quando eletricidade é fornecida ao sistema, a nanopartícula de ferro se desloca para um lado e para o outro no interior do nanotubo - os lados são o 0 e o 1 digitais do sistema binário. "Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley."De acordo com cálculos teóricos, esses dispositivos tem uma capacidade de armazenamento maior que 10^12 bits por polegada quadrada (o blogger não permite sobrescrito, então 10^12 quer dizer 10 seguido de 12 zeros) e uma duração infinita (um bilhão de anos pode ser considerado infinito nesse caso, não pode?)Bem, a inovação não chega a ser um chip cerebral de memória cyberpunk à la Neuromancer, mas se pensarmos que há menos de uns 10 mil anos atrás o ser humano registrava suas memórias em paredes de cavernas, e que o DVD que usamos hoje não dura mais que uma geração, é uma avanço e tanto.... Begtrup, G., Gannett, W., Yuzvinsky, T., Crespi, V., & Zettl, A. (2009). Nanoscale Reversible Mass Transport for Archival Memory Nano Letters, 9 (5), 1835-1838 DOI: 10.1021/nl803800c... Read more »

Begtrup, G., Gannett, W., Yuzvinsky, T., Crespi, V., & Zettl, A. (2009) Nanoscale Reversible Mass Transport for Archival Memory. Nano Letters, 9(5), 1835-1838. DOI: 10.1021/nl803800c

August 18, 2009
08:48 PM
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Nano-kit de análises clínicas

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Analistas clínicos e biomédicos de todo o mundo, temei! Logo, logo a nanotecnologia invadirá os laboratórios! Que tal um kit de reação nanométrico muito mais sensível que os kits convencionais e que faz tudo praticamente sozinho?

Pois bem, foi pensando nisso que cientistas desenvolveram um método de imunoensaio por quimioluminescência para diagnosticar câncer baseado em nanotubos de carbono de múltiplas camadas contendo enzimas em sua superfície. Ufa! Parece complicado? Imagine o nanotubo com camadas tal qual uma cebola, onde enzimas estariam ligadas na superfície de cada uma das camadas. Foi mais ou menos isso que os cientistas construíram. A enzima depositada na superfície dessas camadas é chamada peroxidase (que é capaz de quebrar peróxidos, como a água oxigenada, cuja fórmula é H2O2). Em seguida, em cima disso tudo, foram depositados anticorpos (que corresponde ao Y da figura abaixo). Eis um esquema bem ilustrativo da coisa toda...... Read more »

Bi, S., Zhou, H., & Zhang, S. (2009) Multilayers enzyme-coated carbon nanotubes as biolabel for ultrasensitive chemiluminescence immunoassay of cancer biomarker. Biosensors and Bioelectronics, 24(10), 2961-2966. DOI: 10.1016/j.bios.2009.03.002

July 20, 2009
11:30 AM
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Nanomáquinas: ficção científica ou realidade?

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

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? ... Read more »

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

July 12, 2009
01:34 PM
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Nanopartículas que emitem luz – parte III

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

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:... Read more »

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.... (2003) Near-infrared fluorescent type II quantum dots for sentinel lymph node mapping. Nature Biotechnology, 22(1), 93-97. DOI: 10.1038/nbt920

July 8, 2009
05:21 PM
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Nanopartículas que emitem luz - parte II

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

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 amarelo). 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!... Read more »

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

June 25, 2009
06:30 PM
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Terapia gênica e nanotecnologia juntas no combate ao diabetes tipo 1

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Saiu esse ano na Bioconjugate Chemistry: nanotubos de carbono revestidos com PEG, um polímero hidrofílico (lembra dos Aviões Stealth do Nanobiomundo?), foram capazes de levar oligonucleotídeos antisense até linfócitos T. Lá dentro da célula, esses oligonucleotídeos antisense "nocautearam" um gene (PTPN22) que está relacionado ao desenvolvimento de diabetes tipo 1 e outras doenças autoimunes. Seria a solução tão esperada pelos portadores de diabetes?
A resposta começa nos próprios oligonucleotídeos antisense (ou anti-sentido, como já vi em alguns trabalhos em português).

Essa pequena sequência sintética de ácidos nucleicos pode bloquear a expressão de um gene específico porque é feita para se ligar de forma complementar ao RNAm (que seria a sequência sense, ou sentido) produzido por um gene específico. Quando ocorre essa ligação entre o RNAm e o oligonucleotídeo antisense, o RNAm é inativado. Se não há mais RNAm ativo para informar qual é a sequência correta de aminoácidos a ser sintetizada pelo organismo, a proteína em questão não é produzida. No caso do estudo discutido aqui, essa proteína é um inibidor da ativação de linfócitos T - uma mutação no gene PTP N22 produz um inibidor muito mais potente de linfócitos T que o normal. O crescimento e ativação reduzidos de linfócitos T em comparação ao normalmente observado são fatores que predispõem a diabetes tipo 1 e outras doenças autoimunes, como artrite reumatóide. Por isso, seria bem interessante inibir esse gene em caso de mutação. O problema é que os oligonucleotídeos antisense são muito sensíveis a certas enzimas chamadas nucleases, presentes tanto nas células quanto em meios de cultura e soro. Além disso, devido à sua carga elétrica negativa, dificilmente atravessam a membrana celular (que também tem carga elétrica negativa) - e eles precisam entrar na célula para funcionar!

É por isso que vários laboratórios desenvolveram oligonucleotídeos antisense modificados, com maior resistência às nucleases e/ou com características moleculares que aumentam sua penetração nas células. Outra estratégia (que é a usada nesse estudo) é usar nanotecnologia para inserir a sequência antisense (sem essas modificações) dentro da célula. Os autores usaram nanotubos de carbono-PEG. O PEG serve para aumentar o tempo de circulação da nanopartícula no organismo (do contrário, ela seria rapidamente eliminada). Já o nanotubo de carbono foi uma escolha estratégica. Devido ao seu comprimento ser maior que sua altura, foi possível aproveitar uma grande extensão de sua superfície para ligar mais de um oligonucleotídeo por nanotubo. O nanotubo entrou nos linfócitos T e, apenas dentro das células, liberou os oligonucleotídeos por causa da quebra de ligações chamadas dissulfeto, que prendiam quimicamente o nanotubo e os oligonucleotídeos.

(crédito: Delogu e col., Bioconjugate Chemistry 2009)

Esses resultados são muito interessantes. Mas..... será que a cura através da terapia gênica unida à nanotecnologia é concreta para os diabéticos? Eu acho que HOJE ainda não é. Esse estudo, por exemplo, foi feito em cultura de células e muitas vezes os resultados positivos in vitro não são significativos quando testados em humanos. Além disso, há um elevadíssimo custo se pensarmos na produção em massa desses nanotubos ligados aos oligonucleotídeos - muitas vezes, esse fator é o que torna inviável a comercialização de muitas estratégias terapêuticas interessantes. Outro ponto importante é o risco do uso de nanotubos de carbono em humanos. Um estudo de 2003 publicado na Nano Letters já havia mostrado por simulações de dinâmica molecular que DNA pode se inserir de forma espontânea dentro de nanotubos de carbono em meio aquoso - não vou negar que isso faz pensar a respeito de como nanotubos de carbono vazios poderiam interagir com o nosso próprio DNA.... .

(crédito: Gao e col., NanoLetters 2009)

No entanto, não sou pessimista - acho que muita coisa vai mudar nas próximas décadas. O FDA já aprovou um fármaco antisense, o fomivirsen (Vitravene®), para tratamento de citomegalovirus. Não é encapsulado em nanopartículas, mas apresenta uma modificação na sua estrutura que o torna resistente à degradação pelas nucleases. A própria nanotoxicologia é um campo em expansão. Se não é uma possibilidade concreta para os pacientes hoje (até por uma questão econômica), acho que a união da terapia gênica e da nanotecnologia tem tudo para tornar a vida das pessoas muito melhor nas próximas gerações.

OBS.: O que está em vermelho foi adicionado em 26/07/09 (23h12min) para tornar o texto mais claro.... Read more »

June 21, 2009
03:37 PM
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Gregos e troianos no nano(bio)mundo

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Diz a lenda que a mulher mais bela do mundo era Helena, esposa de Menelau, rei de Esparta. Quando Páris, príncipe de Tróia, foi a Esparta em missão diplomática, apaixonou-se por Helena e ambos fugiram para Tróia, enfurecendo Menelau (quem não se enfureceria no lugar dele, não é mesmo?). Para pegá-la de volta, os gregos resolveram atacar Tróia. Porem, a cidade só foi tomada graças a um artifício bolado por Ulisses, que fazia parte do exército grego: fingindo ter desistido da guerra, os gregos deixaram “para trás” um enorme cavalo de madeira, que os troianos decidiram levar para o interior de sua cidade, como símbolo de sua vitória. À noite, quando todos dormiam, os soldados gregos que se escondiam dentro da estrutura oca de madeira do cavalo saíram e abriram os portões para que todo o exército invadisse a cidade. Apanhados de surpresa, os troianos foram vencidos e a cidade incendiada. (história contada na Ilíada, de Homero)No nano(bio)mundo, também podemos ter soldados, Tróia e um cavalo oco que pode ser um presente de grego... Acha que eu agitei demais no fim-de-semana e estou escrevendo delírios aqui? Na, na, não... Provo para você! Pesquisadores nos Estados Unidos deram uma de Ulisses e usaram um cavalo de Tróia celular para liberar nanopartículas (os soldados) em tumores. ... Read more »

Choi, M., Stanton-Maxey, K., Stanley, J., Levin, C., Bardhan, R., Akin, D., Badve, S., Sturgis, J., Robinson, J., Bashir, R.... (2007) A Cellular Trojan Horse for Delivery of Therapeutic Nanoparticles into Tumors. Nano Letters, 7(12), 3759-3765. DOI: 10.1021/nl072209h

June 8, 2009
07:00 AM
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O efeito das nanopartículas nas plantas

by Fernanda Poletto in Bala Mágica

Em homenagem ao encerramento da Semana do Meio Ambiente, esta será uma postagem sobre os efeitos tóxicos de nanopartículas insolúveis (que não se desintegram no organismo) nas plantas terrestres. Nanopartículas insolúveis incluem fulerenos (presentes em alguns cremes cosméticos vendidos em certos países), nanopartículas de óxidos metálicos (como o óxido de zinco, usado em filtros solares) e nanotubos de carbono. Justifico a escolha desse assunto por três motivos:1) plantas são importantes receptores ecológicos, e várias plantas terrestres fazem parte da nossa cadeia alimentar;2) ainda há poucos estudos sobre os efeitos positivos e negativos de nanopartículas em plantas superiores; e3) a Comissão Européia em 2007 sugeriu que a segurança das nanopartículas insolúveis deve ser avaliada a partir de uma descrição detalhada de todo o seu “ciclo de vida” no ambiente. Um estudo feito pelo grupo do Prof. Baoshan Xing - Department of Plant, Soil & Insect Sciences at the University of Massachusetts, USA - mostrou que nanopartículas de óxido de zinco inibiram a germinação das sementes e o crescimento das raízes de centeio. Zinco é um elemento essencial aos seres vivos, mas é tóxico em altas concentrações. Os motivos da toxicidade dessas nanopartículas ainda não estão muito claros - mas como demonstrado nesse estudo, a toxicidade não veio da sua degradação em zinco elementar nas plantas, mas sim da sua aderência na superfície das raízes. ... Read more »

Lin, D., & Xing, B. (2008) Root Uptake and Phytotoxicity of ZnO Nanoparticles. Environmental Science , 42(15), 5580-5585. DOI: 10.1021/es800422x

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Fernanda Poletto

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