Ciências Exatas e Tecnológicas
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Item A cafeína como catalisador de fármacos à base de platina: um estudo de espectroscopia de força de molécula única(Universidade Federal de Viçosa, 2022-08-26) Oliveira, Rayane Maria de; Rocha, Márcio Santos; http://lattes.cnpq.br/5942823985744927Embora muitos avanços tenham ocorrido ao longo dos anos nas quimioterapias, os efeitos colaterais, muitas vezes relacionados à falta de seletividade dos fármacos, continuam sendo um grande problema clínico. Assim, uma compreensão da interação dos medicamentos com a molécula de DNA (ácido desoxirribonucleico) pode ajudar a modular a resposta a tratamento de tumores. É bem relatado na literatura que a cafeína, o alcaloide mais con- sumido em todo o mundo, potencializa os efeitos anticancerígenos do fármaco cisplatina ao inibir o reparo do DNA pela maquinaria celular. Aqui, realizamos ensaios de espectros- copia de força em molécula única, com pinças ópticas, para mostrar que a cafeína aumenta a toxicidade não apenas da cisplatina, mas também de vários fármacos à base de platina (transplatina, carboplatina e oxaliplatina) já em nível molecular, usando amostras con- tendo apenas DNA de Ąta dupla, fármacos de platina e o alcaloide em um tampão fosfato simples, ou seja, completamente fora do ambiente complexo encontrado dentro das células vivas reais. De fato, ao extrair parâmetros mecânicos, como comprimento de contorno e persistência desses complexos, nossos resultados mostram que a cafeína atua como um catalisador alostérico que aumenta a constante de associação efetiva entre a molécula de DNA e os fármacos de platina em torno de ∼7,5× (para carboplatina) até ∼24-29× (para os outros três fármacos). Além disto, a presença de cafeína suprimiu qualquer cooperati- vidade que ocorre nas reações de ligação de alguns dos fármacos de platina (cisplatina e carboplatina) com a molécula de DNA quando o alcaloide está ausente. Até onde sabemos, esta é a primeira vez que tal propriedade da cafeína foi demonstrada em nível molecular fora do ambiente celular. Além disso, também mostramos que tal propriedade parece ser geral para fármacos à base de platina porque as mesmas conclusões foram alcançadas para quatros exemplos clássicos desses compostos: cisplatina, carboplatina, oxaliplatina e transplatina. Portanto, o presente trabalho fornece novas informações sobre o mecanismo de ação envolvendo a combinação de compostos para aplicações quimioterápicas. Palavras-chave: DNA.Pinça óptica. Fármacos de platina. Espectroscopia de força.Item Análise de complexos DNA-ligantes com aplicações na construção de carreadores de fármacos(Universidade Federal de Viçosa, 2018-02-21) Silva, Eduardo Ferreira da; Rocha, Marcio Santos; http://lattes.cnpq.br/5131239167316677Neste trabalho, fizemos experimentos de estiramentos em moléculas únicas com pinça óptica e apoiamos nossas análises e conclusões nas técnicas de Eletroforese em Gel, Microscopia de Força Atômica e Espalhamento Dinâmico de Luz. Usamos este aparato para estudarmos inte- rações do DNA com alguns ligantes, incluindo proteína, surfactante, fármaco antitumoral (do- xorrubicina) e complexos formados com a união de dois destes ligantes e o DNA. Os ligantes, proteína e surfactante, foram escolhidos devido a suas possíveis funcionalizações como trans- portadores de fármacos ou material genético para o interior celular (carreadores). Estes dois são agentes condensantes do DNA e a condensação é um processo de fundamental importância na formação de carreadores. O fármaco antitumoral foi estudado por ser um material interessante a ser transportado para o interior celular. As propriedades mecânicas dos complexos em função da concentração do ligante foram diretamente determinadas a partir das medidas de estiramento, através do ajuste de curvas de força por extensão, no qual empregamos o modelo da cadeia ver- miforme (WLC) para polímeros semiflexíveis. Além disso, os parâmetros físico-químicos da interação DNA-doxorrubicina foram extraídos a partir de dados do comprimento de contorno, usando o modelo estatístico de ajuste pelo comprimento de contorno, previamente desenvol- vido pelo grupo de Física Biológica da UFV. Este modelo nos permitiu a obtenção da isoterma de ligação e particularmente, detectamos a interação típica de intercalantes para o fármaco do- xorrubicina, desvendando peculiaridades dessa interação a partir da autoagregação da droga em diferentes condições iônicas. Também coletamos dados da interação da proteína C 4 S 10 K 12 com o DNA que ajudam a evidenciar o processo de ação pelo qual a proteína C 4 S 10 K 12 condensa o DNA. Estudamos também a interação do surfactante catiônico DTAB com o DNA, como outro agente condensante do DNA, observando alguns aspectos importantes deste processo de condensação.Item Espectroscopia de força em molécula única aplicada a interação de DNA com derivados de Platina(Universidade Federal de Viçosa, 2019-02-26) Oliveira, Leandro de; Rocha, Márcio SantosNeste trabalho, estudamos a interação da molécula de DNA com alguns fármacos de Platina. Nós utilizamos espectroscopia de força de molécula única, que permite manipular pequenas partículas de escala micrométrica. Dessa forma, conseguimos estabelecer um análise sob as alterações ocorridas no experimento de estiramento para as propriedades mecânicas dos complexos DNA-fármacos formados, e descrevê-los como função de alguns parâmetros de interesse, tais como: tempo de difusão do fármaco, concentração de fármaco em solução, dentre outros. A essas alterações é proposto um modelo teórico para avaliar as mudanças em um dos parâmetros mecânicos, o comprimento de persistência, como função da concentração do fármaco utilizado. Com base nesse e em outro parâmetro mecânico, o comprimento de contorno, essa análise se torna uma poderosa ferramenta e permite verificar ainda, as propriedades relacionadas ao modo de ligação, o estado de compactação da molécula, a cinética da reação. Nossa análise envolveu fármacos comumente utilizados em tratamentos quimioterápicos derivados de um mesmo elemento químico, a Platina: Cisplatina, Carboplatina, Oxaliplatina. Todos os experimentos forma realizados sob mesmas condições, envolveram soluções tamponadas de diferentes concentrações iônicas e foram realizados para dois diferentes regime de forças: entrópico e entálpico.Item Estudo da interação do intercalante doxorrubicina em condensados de DNA via espectroscopia de força(Universidade Federal de Viçosa, 2018-04-05) Lima, Carlos Henrique Moreira; Rocha, Marcio Santos; http://lattes.cnpq.br/1962882039619648Iniciamos este trabalho estudando o pinçamento óptico que foi a técnica experimental fundamental para realização desse projeto. A pinça Optica Trata-se de uma técnica de micromanipulação bastante utilizada para estudar partículas e sistemas biológicos com tamanho na escala de micrômetro. Através da técnica caracterizamos via espec- troscopia de força as interações do DNA e albumina do soro bovino (BSA) mostramos o processo de compactação do DNA por interação de depleção, em seguida estudamos interações DNA-ligantes que constitui um campo interdisciplinar de conhecimento, com importância fundamental tanto no entendimento de vários processos intracelulares ba- sicos (divisão celular, transcrição, tradução) bem como na aplicação em tratamento de doenças humanas (quimioterapias, terapias gênicas). Neste sentido, farmacos intercalantes desempenham papel central devido a sua larga aplicação em diversos tipos de quimioterapias. Os intercalantes modificam a estrutura mecânica da dupla hélice da molécula de DNA ao interagirem com o mesmo, de forma que as características físico- químicas da interação podem ser estudadas via ensaios mecânicos, como por exemplo em experimentos de estiramento de moléculas únicas de DNA realizados por pinças óticas ou magnéticas. Entretanto, quase totalidade dos trabalhos disponíveis na literatura a respeito das interações de intercalantes com o DNA foram realizados com este último disperso em solução, numa conformação muito diferente da encontrada no interior das células, onde o DNA está fortemente compactado formando a cromatina. Na segunda parte do trabalho estudamos a influência da histona linker H1 para dinâmica da cromatina e sua importância para regulação da cromatina ao interagir com fármaco doxorrubicina.Item Estudo do modo de interação do fármaco cloroquina com o DNA e seu efeito em células(Universidade Federal de Viçosa, 2023-02-28) Costa, Ethe de Araújo; Rocha, Márcio Santos; http://lattes.cnpq.br/8184451636489306O estudo das interações entre a molécula de DNA e fármacos tem sido de extrema rele- vância para se compreender as peculiaridades intrínsecas dessas interações. Apesar dos diversos avanços cientíĄcos e t ecnológicos, o s m ecanismos d e a ção m olecular d e alguns fármacos permanecem desconhecidos, principalmente no que diz respeito às interações in- trínsecas desses compostos com componentes celulares como proteínas e ácidos nucleicos. A cloroquina (CLQ) é um composto amplamente usado no tratamento contra a malária. No início de 2020, alguns estudos mostraram que esse agente antimalarial poderia ser uma alternativa no enfrentamento da pandemia da COVID-19. Contudo, muitos aspectos da interação entre a molécula de DNA e a cloroquina ainda são desconhecidos. Nesta tese o estudo do fármaco cloroquina foi realizado em dois diferentes níveis: (i) nível de molé- cula única usando a técnica de Pinça Óptica (OT) para analisar os modos de interação do complexo DNA-CLQ. Esse tipo de estudo é reconhecido como estado da arte para caracterizar as interações do DNA com ligantes como fármacos ou proteínas, e permite determinar os modos de ligação e os parâmetros físico-químicos das interações; (ii) nível celular através de ensaios de citotoxicidade da cloroquina em três tipos distintos de linhas celulares normais, HEK-293 (células renais humanas), melan-a (células epiteliais murina) e VERO (células renais de primata), que permite avaliar e comparar os efeitos do fár- maco na viabilidade celular. A citotoxicidade é um dos indicadores mais importantes de avaliação biológica em estudos in vitro, sendo que a viabilidade celular é um dos aspectos mais relevantes para compreender os mecanismos de resposta das células após exposição a agentes tóxicos. Os resultados obtidos são intrigantes. Dos ensaios de pinçamento óptico observamos que a CLQ tem forte aĄnidade com a molécula de DNA, mas os detalhes intrínsecos dos mecanismos de interação dependem da força iônica do meio circundante, que pode alterar o modo de ligação entre as duas moléculas. Dos ensaios de citotoxici- dade observamos que a CLQ possui alta toxicidade nas três linhagens celulares testadas, de maneira que a linhagem HEK-293 possui maior sensibilidade ao fármaco, apresentando dois valores de concentração inibitória média (IC 50 ). Esse comportamento apresentado pela linhagem HEK-293 é conhecido como efeito hormético, que é induzido pelo fármaco. Esses resultados contribuem para o melhor entendimento tanto a nível molecular quanto celular da ação da cloroquina e pode auxiliar estudos posteriores. Palavras-chave: Cloroquina. Pinça óptica. Ligantes. Cultura de células.Item Micromanipulação de partículas superparamagnéticas utilizando feixes de Bessel e estudo das interações DNA-líquidos iônicos(Universidade Federal de Viçosa, 2022-06-24) Andrade, Ulisses Moreira Silveira; Rocha, Márcio Santos; http://lattes.cnpq.br/3633111836811340Este trabalho está dividido em duas partes. Na primeira, propomos uma pinça óptica que utiliza um feixe de Bessel e é capaz de capturar de forma estável microesferas superparamagnéticas. A constante de força é praticamente independente do raio do feixe de Bessel e da altura da microesfera (distância medida em relação à lamínula), indicando que as microesferas podem ser capturadas com alta precisão dentro de uma ampla faixa de valores desses parâmetros. Por outro lado, a constante de força exibe o aumento linear esperado com a potência do laser, apesar do coeficiente de absorção das esferas superparamagnéticas não ser desprezível. Um modelo de óptica geométrica que considera a aberração esférica e a absorção de luz pelas microesfe- ras foi utilizado para prever a constante de força, apresentando excelente concordância com os dados experimentais. Os resultados aqui apresentados avançam no campo da manipulação de aprisionamento óptico de partículas magnéticas absorventes, e aplicações futuras envolvem, por exemplo, o projeto de novas pinças híbridas optomagnéticas. Na segunda parte, realiza- mos uma caracterização robusta das interações moleculares entre a molécula de DNA e dois líquidos iônicos à base de imidazólio (LIs): cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio ([bmim]Cl) e 1-octil-3- cloreto de metilimidazólio ([omim]Cl), usando abordagens de molécula única (pinças ópticas e magnéticas) e técnicas de múltiplas moléculas (calorimetria isotérmica de titulação e condutometria). As pinças ópticas e magnéticas permitiram obter as alterações nas proprieda- des mecânicas dos complexos de DNA formados com os dois LIs, bem como os parâmetros físico-químicos (de ligação) relevantes da interação. Apesar da fraca interação medida entre o DNA e os LIs, identificamos uma transição no regime de elasticidade do polímero dos comple- xos formados, o que resulta em uma compactação relevante do DNA para altas concentrações dos líquidos iônicos. Além disso, a calorimetria de titulação isotérmica e a condutometria com- plementaram os estudos de moléculas únicas, fornecendo uma caracterização termodinâmica completa das interações e permitindo a identificação das forças motrizes mais relevantes em várias faixas de concentração dos LIs. Com base nos resultados obtidos com todas as técnicas empregadas, propomos um modelo para os esquemas de ligação envolvendo DNA e [bmim]Cl e [omim]Cl. Palavras-chave: Pinça óptica holográfica. Pinça magnética. moléculas únicas. DNA.Item Sobre as oscilações opto-induzidas em partículas semicondutoras em pinças ópticas(Universidade Federal de Viçosa, 2022-06-22) Moura, Tiago de Assis; Rocha, Márcio Santos; http://lattes.cnpq.br/2177766854877438Desde os trabalhos iniciais de Arthur Ashikin em 1970, as pesquisas sobre a manipulação de partículas através da técnica de pinças ópticas vem crescendo fortemente. À grosso modo, a técnica de pinças ópticas consiste em um feixe de laser (geralmente operando no modo TEM,9) altamente focalizado por uma objetiva de grande abertura numérica, capaz de aprisionar partículas próxima a região focal. A manipulação de partículas dielétricas e metálicas tem encontrado uma grande aplicação no estudo de processos bioquímicos e biofísicos, indo desde a investigação de parâmetros mecânicos de polímeros orgânicos à complexidade de mecanismos celulares. Com o desenvolvimento de novos materiais, se tornou necessário conhecer o comportamento desses materiais quando manipulados utilizando pinças ópticas. Nosso grupo foi o primeiro a estudar experimentalmente a manipulação óptica de partículas de isolantes topológicos (BipTes e BiçSes), mostrando que tais materiais exibem uma dinâmica oscilatória no plano perpendicular à direção de propagação do laser. Interpretamos o comportamento oscilatório das partículas de isolante topológico como sendo o resultado da competição entre a força de gradiente (sempre atrativa) e a resultante das forças de espalhamento e fotoforética (sempre repulsivas). Nesse trabalho, nós estudamos o comportamento das partículas semicondutoras (silício e germânio) quando manipuladas com pinças ópticas. Nós observamos que em ambos os casos o sistema também exibe dinâmica oscilatória, mostrando que os efeitos das oscilações oticamente induzidas não são uma característica exclusiva dos isolantes topológicos. Além disso, as oscilações das partículas semicondutoras apresentaram um atributo adicional, elas são altamente sensíveis a direção de polarização do laser. Semicondutores ao interagem com o laser podem modificar sua densidade de portadores e consequentemente todas as suas propriedades ópticas. Nós propomos uma generalização do modelo de Ashkin no regime de Rayleigh para contabilizar o efeito da geração de portadores sobre as forças ópticas em partículas semicondutoras. Além disso, nós incluímos o efeito da geração de portadores no modelo efetivo que construímos para interpretar as oscilações nas partículas de isolante topológico. A dependência da polarização foi interpretada como sendo uma consequência da assimetria azimutal do feixe conforme previsto pela teoria de espalhamento Mie. Nós fomos capazes de aprisionar as partículas semicondutoras. As partículas de silício foram aprisionadas no feixe gaussiano quando a altura focal(distância entre o foco e a lamínula) era superior a 43 um. Enquanto que, as partículas de germânio, foram aprisionadas somente quando a armadilha foi modificada e ultilizamos um feixe de Bessel focalizado. No feixe de Bessel as partículas de germânio foram aprisionadas para potências de até 50 mW (medidas na entrada da objetiva), acima de 50 mW a dinâmica oscilatória foi observada, porém, sem a dependência da polarização do feixe. A rigidez da armadilha obtida em ambos os casos foi da ordem de femto-Newton o que habilita o uso das partículas de semicondutores para o estudo onde baixas forças são necessários. Palavras-chave: Pinça óptica. Semicondutores. Osciladores ópticos.