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