Biofísica Molecular e Radiobiologia

Instituto de Física–Departamento de Física Nuclear ACELERADOR ELETROSTÁTICO VT = 8MV FEIXES DE ÍONS LEVES E PESADOS P, d, Li, Be, C, N,O, F, Si, etc.

Atividades no Departamento de Física Nuclear Física Nuclear básica fusão nuclear, fissão nuclear, espalhamento, estrutura nuclear Física Nuclear aplicada caracterização de materiais, datação instrumentação Nosso grupo de pesquisa Física Nuclear básica: baixas e altas energias Recentemente  interesse em Radiobiologia e Biofísica utilizando feixes do acelerador Pelletron interdisciplinaridade

Estudos ligados a câncer e terapia Radiobiologia O que? Abordagem “macroscópica” curvas de sobrevivência aberrações e mutações cromossômicas alterações no ciclo celular dose fracionada efeito bystander Estudos ligados a câncer e terapia Como? irradiação de camadas monocelulares por feixes externos de partículas ionizantes ou não  posterior análise com técnicas usuais e/ou detecção de produtos em linha(?)

Radiobiologia Curva de sobrevivência  nêutrons são mais eficientes que raios x

Radiobiologia Raios  vs. C

Radiobiologia Curva de sobrevivência com e sem presença de oxigênio  células são mais resistentes sem a presença de oxigênio

Biofísica Molecular O que? Como? Abordagem “microscópica” introns e exons danos e reparo em DNA  interação entre fragmentos chips de DNA  expressão de genes estrutura e função de proteínas Genoma – o que fazer com tantos dados? Como? irradiação de camadas monocelulares por feixes externos de partículas ionizantes ou não  posterior análise com técnicas usuais e/ou detecção de produtos em linha(?)

DNA

Biofísica Molecular DNA  bases A, T, C, G  código genético

Código genético  “degenerescência”

Biofísica Molecular

Biofísica Molecular Função das seqüências "intrusas" ou introns "passeio do DNA”  grandeza denominada deslocamento dada por : u(i) refere-se à ocorrência das bases purinas (A ou G) e pirimidinas (C ou T), para as quais u(i) = -1 e u(i) = 1, respectivamente.

Deslocamento em função da distância genes humanos contendo introns  cDNA para genes humanos, onde não há introns  genes de bactérias onde também não há introns  correlações de longo alcance entre as bases dos genes quando os introns estão presentes. Caso contrário, essas correlações não ocorrem.

funções de correlação obtidas pela distinção entre os nucleotídeos em regiões codificadoras ou de controle e regiões não codificadoras  bancos de genes k é a distância entre dois nucleotídeos em unidades de pares de base (pb)  i = 1  nucleotídeo pertence a uma região codificadora ou de controle  i = 0  nucleotídeo pertence a uma região não codificadora. análise dos dados  presença de uma ordem espacial em seqüências de organismos mais evoluídos, independentemente da natureza das bases

Interação de radiações ionizantes com sistemas biológicos H2O  H2O+ + e-  H2O+ + e-aq H2O+   OH + H+ efeitos indiretos H2O  H2O*  H  +  OH

Transferência de energia linear (LET), expressa em keV/m LET de uma partícula ionizante depende de uma maneira complicada, da velocidade e da carga da partícula, sendo que quanto maior a carga e menor a velocidade, maior a LET Região assintótica E  MZ2 / E

Irradiação com raios x, raios  : efeito fotoelétrico, efeito Compton  menor eficiência em deposição de energia. Efeitos diretos  reações nucleares, espalhamento utilização de detectores para raios , raios x, nêutrons e partículas carregadas(?)

Grandeza fundamental para qualquer abordagem Cálculo de Doses Energia depositada por uma partícula em um elemento de volume infinitesimal de massa dm Para N partículas:

grandeza importante : perda de energia por unidade de comprimento (Stopping Power) - LET Portanto: 1 Gy = 1 J/Kg  = número de partículas incidentes por unidade de área

Infra-estrutura Linha de feixe externo no Laboratório Pelletron  feixe com 15 mm de diâmetro para irradiação uniforme das amostras estatística usual  feixe com ~ 2mm de diâmetro e irradiação em vácuo (10-6 torr) Sistema para controle de intensidade  alvos de Au com espessura de ~ 1 mg/cm2 Sistema de monitoração de doses  detectores de Si e detector multifilar sensível à posição Sistema de posicionamento de amostras  movimento nas direções x, y e z com precisão de 10 m Equipamentos auxiliares  detectores para observação de produtos da interação

Linha de feixe e sistemas de monitoração Esquema Amostra Câmaras de espalhamento Janela Colimadores Bombas de Vácuo Focalizador Quadrupolos

Linha de feixe e sistemas de monitoração Primeira câmara de espalhamento

Linha de feixe e sistemas de monitoração Segunda câmara de espalhamento

Linha de feixe e sistemas de monitoração Sistema de posicionamento de amostras Janela de mylar de 10m de espessura

Linha de feixe e sistemas de monitoração Detector multifilar sensível à posição

Espectro do primeiro detector Feixe de 12C E = 45 MeV Espectro do primeiro detector

Espectro do terceiro detector ( em ar) Feixe de 12C E = 45 MeV Espectro do terceiro detector ( em ar)

Teste inicial de uniformidade Y X

Caracterização do sistema de doses Dose calculada pelo sistema de detectores Dose calculada pela irradiação de dosímetros de LiF Resposta a partículas carregadas  eficiência Dose calculada pela irradiação de dosímetros de LiF Dose calculada pelo sistema de detectores Comparação

Resposta de Dosímetros Arranjo experimental Dose

Alguns resultados Irradiação de células tumorais Irradiação salamandra Câncer x Regeneração

Correlação angular perturbada

Correlação angular perturbada Intervalo de tempo entre emissão de raios gama de núcleo de prova Distribuição de meias vidas moduladas pela precessão de spin Modulação ou perturbação G2(t) informação sobre campos internos na amostra

Densidade de probabilidade de emissão de 1 em relação a 2 Perturbação devida à vizinhança

Correlações Angulares Perturbadas PAC Correlações Angulares Perturbadas Estrutura Dinâmica Detectores de BaF2 Espectrômetro

Dinâmica Estática

Moléculas orientadas aleatoriamente EFG idênticos Estática

Interações dependentes do tempo – EFG muda entre emissão de raios  Difusão rotacional devido a mov. Browniano ou Mudança de conformação Dinâmica

Proteínas com Cu Azurina modificada 111Ag ---- 111mCd normal Picos adicionais – nova geometria de coordenação aparece

Dinâmica na Plastocianina Alargamento reflete mudança dinâmica da geometria de coordenação

Ligações da Plastocianina Aumento do tempo de correlação rotacional devido à ligação à PS1 (aumento do volume)

Proteínas com Zn carboxipeptidase 111mCd Evolução de difusão rotacional e estruturas similares e/ou mudança dinâmica entre diferentes sites, para população de uma conformação do site de ligação do metal

Irradiação de DNA tempo de correlação rotacional apresenta máximo, ou seja máxima rigidez da estrutura ao redor do 111In

Próximos passos Testes para uso conjunto PAC – espectrometria de massa Continuidade projetos com UNICAMP e UTFP Montagem de laboratório de amostras

O que e como pode ser feito? Etapas estabelecer temas de interesse estabelecer contatos com pesquisadores avaliar a viabilidade de realização implementar infra- estrutura adequada Até o presente: Radiobiologia  infra-estrutura, colaborações Biofísica  infra-estrutura, colaborações

Equipamentos auxiliares Detectores de raios   6 BaF2 com 15 cm de comprimento e 7,5 cm de diâmetro Detector de nêutrons sensível à posição  “parede” com 24 células de cintilador líquido acopladas a fotomultiplicadoras Detectores de partículas carregadas  telescópios triplos para identificação de partículas leves e pesadas (?)

Detector de nêutrons sensível à posição

Infra-estrutura já pronta Etapas em andamento: testes de intensidade de feixe e uniformidade testes do sistema de monitoração de doses Feixes de p (E=15 MeV) e C (E= 45 MeV)

Resposta de Dosímetros Eficiência Glow Curve

Grupo de Pesquisa 02 docentes 02 Pós-Doutorandos Estágio em laboratório de amostras Montagem de laboratório de amostras Supervisão 01 estudante de Pós-graduação Caracterização do sistema de doses 03 estudantes de Iniciação Científica Detectores multifilares Técnica PAC com detectores de BaF2

Cronograma e planos futuros Presente Colaborações Priorizar temas Irradiações em Radiobiologia – Câncer e terapia Futuro próximo Instalação de laboratório para preparação e análise de amostras DNA – danos e reparos PAC – Estrutura Futuro a médio prazo Instalação de um sistema de micro feixe  feixes com diâmetro de ~ 1 m - DNA