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Biofísica Molecular e
Radiobiologia
ACELERADOR ELETROSTÁTICOVT = 8MV
FEIXES DE ÍONS LEVES E PESADOSP, d, Li, Be, C, N,O, F, Si, etc.
Instituto de Física–Departamento de Física Nuclear
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 energiasRecentemente interesse em Radiobiologia e Biofísica utilizando feixes do acelerador Pelletron interdisciplinaridade
Radiobiologia O que? Abordagem “macroscópica”• curvas de sobrevivência• aberrações e mutações cromossômicas• alterações no ciclo celular• dose fracionada• efeito bystander
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(?)
Estudos ligados
a câncer e
terapia
Radiobiologia
Curva de sobrevivência nêutrons são mais eficientes que raios x
0,0 0,5 1,0 1,5 2,00
20
40
60 Raio Gama 12C
Num
ero
de A
berr
açõe
s (%
)
Dose (Gy)
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
Abordagem “microscópica”
O que?
• 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?
irradiação de camadas monocelulares por feixes externos de partículas ionizantes ou não posterior análise com técnicas usuais e/ou detecção de produtos em linha(?)
Como?
DNA
Biofísica MolecularDNA 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 :
1iu(i) )(y
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.
2L
1ii
L
1ikii
L1 -
L1 )k(C
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 assintóticaE MZ2 / E
Irradiação com raios x, raios : efeito fotoelétrico, efeito Compton menor eficiência em deposição
de energia.
Efeitos diretos reações nucleares, espalhamentoutilização de detectores para raios , raios x, nêutrons e partículas carregadas(?)
Cálculo de Doses
dmdED
Energia depositada por uma partícula em um elemento de volume infinitesimal de massa dm
Grandeza fundamental para qualquer abordagem
Para N partículas:
dmdEND
grandeza importante :
dxdES perda de energia por unidade de comprimento
(Stopping Power) - LET
Portanto:
)(cm m)(keV/ dxdE 10 1.6 )( -29- GyD
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
Amostra
Câmaras de espalhamento
JanelaColimadoresBombas de Vácuo
FocalizadorQuadrupolos
Linha de feixe e sistemas de monitoração
Esquema
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 monitoraçãoSistema de posicionamento de
amostras
Janela de mylar de 10m 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 terceiro detector ( em ar)
Feixe de 12C E = 45 MeV
Teste inicial de uniformidade
XY
I
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 pelo sistema de detectores
Dose calculada pela irradiação de dosímetros de LiF
Comparação
Resposta de Dosímetros
Arranjo experimental
Dose
Alguns resultadosIrradiação de células
tumorais
Irradiação salamandra
Câncer x
Regeneração
Correlação angular perturbada
Correlação angular perturbada
Distribuição de meias vidas moduladas pela precessão de spin
Modulação ou perturbação G2(t) informação sobre campos internos na amostra
Intervalo de tempo entre emissão de raios gama de núcleo de prova
Densidade de probabilidade de emissão de 1 em relação a 2
Perturbação devida à vizinhança
PAC
Detectores de BaF2
Espectrômetro
Correlações Angulares
Perturbadas
EstruturaDinâmic
a
EstáticaDinâmica
Estática
Moléculas orientadas aleatoriamente
EFG idênticos
Dinâmica
Interações dependentes do tempo – EFG muda entre emissão de raios Difusão rotacional devido a mov. Browniano ouMudança de conformação
Proteínas com Cu Azurina
Picos adicionais – nova geometria de coordenação aparece
111Ag---- 111mCd
normal
modificada
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 Zncarboxipeptidase
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
111mCd
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 prontaEtapas 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)
Eficiência
Resposta de Dosímetros
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-graduaçãoCaracterização do sistema de doses
03 estudantes de Iniciação Científica Estágio em laboratório de amostrasDetectores multifilaresTécnica PAC com detectores de BaF2
Cronograma e planos futuros
Colaborações Priorizar temas Irradiações em Radiobiologia – Câncer e terapia
Presente
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