novo sistema automatizado de genotipagem de … e biologicas/novo... · espectrometria de massas,...

17
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM BIOCIÊNCIAS FORENSES NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE STRS E SNPS POR ESPECTROMETRIA DE MASSAS Daniel Amaro Sousa 1 Luciano Chaves Arantes 2 1 Licenciado em Ciências Biológicas pela Universidade Católica de Brasília, Mestre em Patologia Molecular pela Universidade de Brasília e aluno da Pós- Graduação em Biociências Forenses pela Pontifícia Universidade Católica de Goiás/IFAR. 2 Orientador: Bacharel e Licenciado em Ciências Biológicas pela Universidade de Brasília; Mestre em Ciência Forense pelo King's College London, Inglaterra; Mestre em Patologia Molecular pela Universidade de Brasília, Mestrando em Administração com Ênfase em Criminalística pela Escola Brasileira de Administração Pública e Empresas/Fundação Getúlio Vargas (FGV/EBAPE). Perito Criminal classe Especial da Polícia Civil do Distrito Federal e Chefe da Seção de Perícias Criminais do Instituto de Pesquisa de DNA Forense. Professor de especialização em Biociências Forenses IFAR/PUC. RESUMO A determinação da massa molecular de uma sequência de DNA, por meio da pesagem por espectrometria de massas, possui muitos benefícios, principalmente no campo forense. Dentre eles, pode se citar o fato de que variações de sequência observadas podem aumentar o poder de discriminação dos testes comparado às análises convencionais. Além disto, por meio desta técnica pode se trabalhar com os mesmos marcadores usados convencionalmente em técnicas forenses, o que facilita a implantação do método. A espectrometria de massa aplicada ao DNA possui muitas vantagens sobre a eletroforese capilar com fluorescência, sendo mais rápida e barata e não necessita de marcadores internos ou calibração espectral. Esta revisão de literatura tem por objetivo apresentar o mais novo sistema comercial para análise de DNA baseado em espectrometria de massas, o PLEX- ID, contribuindo assim para divulgação em língua portuguesa desta nova tecnologia. PALAVRAS-CHAVES: Análise de DNA. STRs. SNPs. Espectrometria de Massas. PLEX-ID. NEW AUTOMATED GENOTYPING OF STRS AND SNPS BY MASS SPECTROMETRY ABSTRACT The molecular weight determination of DNA sequences, weighting by mass spectrometry, has many benefits, especially in the forensics fields. Among them, may be mentioned the fact that observation of single sequence variations may increase the discriminatory power of the tests, compared to conventional analyzes. Moreover, this technique can work with the same genes conventionally used in forensics, which facilitates implementing the method. Mass spectrometry applied to the DNA has many advantages over the fluorescent capillary electrophoresis, being quicker and cheaper, does not require internal markers or spectral calibration. This literature review aims to present the newest system for DNA analysis based on mass spectrometry, the PLEX-ID, thereby contributing to dissemination in the Portuguese language of this new technology. KEY-WORDS: DNA Analysis. STRs. SNPs. Mass Spectrometry. PLEX-ID.

Upload: phungnguyet

Post on 09-Feb-2019

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS

PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM BIOCIÊNCIAS FORENSES

NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE STRS E

SNPS POR ESPECTROMETRIA DE MASSAS

Daniel Amaro Sousa1 Luciano Chaves Arantes2

1Licenciado em Ciências Biológicas pela Universidade Católica de Brasília, Mestre em Patologia

Molecular pela Universidade de Brasília e aluno da Pós- Graduação em Biociências Forenses pela Pontifícia Universidade Católica de Goiás/IFAR.

2Orientador: Bacharel e Licenciado em Ciências Biológicas pela Universidade de Brasília; Mestre em

Ciência Forense pelo King's College London, Inglaterra; Mestre em Patologia Molecular pela Universidade de Brasília, Mestrando em Administração com Ênfase em Criminalística pela Escola

Brasileira de Administração Pública e Empresas/Fundação Getúlio Vargas (FGV/EBAPE). Perito Criminal classe Especial da Polícia Civil do Distrito Federal e Chefe da Seção de Perícias Criminais

do Instituto de Pesquisa de DNA Forense. Professor de especialização em Biociências Forenses IFAR/PUC.

RESUMO A determinação da massa molecular de uma sequência de DNA, por meio da pesagem por espectrometria de massas, possui muitos benefícios, principalmente no campo forense. Dentre eles, pode se citar o fato de que variações de sequência observadas podem aumentar o poder de discriminação dos testes comparado às análises convencionais. Além disto, por meio desta técnica pode se trabalhar com os mesmos marcadores usados convencionalmente em técnicas forenses, o que facilita a implantação do método. A espectrometria de massa aplicada ao DNA possui muitas vantagens sobre a eletroforese capilar com fluorescência, sendo mais rápida e barata e não necessita de marcadores internos ou calibração espectral. Esta revisão de literatura tem por objetivo apresentar o mais novo sistema comercial para análise de DNA baseado em espectrometria de massas, o PLEX-ID, contribuindo assim para divulgação em língua portuguesa desta nova tecnologia. PALAVRAS-CHAVES: Análise de DNA. STRs. SNPs. Espectrometria de Massas. PLEX-ID.

NEW AUTOMATED GENOTYPING OF STRS AND SNPS BY MASS SPECTROMETRY

ABSTRACT The molecular weight determination of DNA sequences, weighting by mass spectrometry, has many benefits, especially in the forensics fields. Among them, may be mentioned the fact that observation of single sequence variations may increase the discriminatory power of the tests, compared to conventional analyzes. Moreover, this technique can work with the same genes conventionally used in forensics, which facilitates implementing the method. Mass spectrometry applied to the DNA has many advantages over the fluorescent capillary electrophoresis, being quicker and cheaper, does not require internal markers or spectral calibration. This literature review aims to present the newest system for DNA analysis based on mass spectrometry, the PLEX-ID, thereby contributing to dissemination in the Portuguese language of this new technology.

KEY-WORDS: DNA Analysis. STRs. SNPs. Mass Spectrometry. PLEX-ID.

Page 2: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

1 INTRODUÇÃO

Um dos marcos iniciais na descoberta do DNA foi em 1869, quando o médico

suíço Frederich Miescher isolou o principal componente do núcleo das células,

denominado então “nucleína” (DAHM, 2008). Gradualmente foram sendo realizadas

várias descobertas quanto à estrutura, forma e funções desta molécula, até que em

1953, James D. Watson e Francis Crick compilaram todas em um único modelo,

sugerindo assim a estrutura geral do DNA (WATSON et al., 1953), formada por

ácidos nucléicos pareados em uma dupla fita.

Em 1957, durante uma apresentação, Crick estabeleceu o dogma central da

biologia molecular, descrevendo assim a relação entre DNA, RNA e proteínas.

Contudo, somente em 1985, Sir. Alec Jeffreys, um geneticista inglês, criou a ideia do

DNA fingerprinting (impressão digital de DNA), ao observar que amostras de DNA

possuíam sequências de marcadores adjacentes que se repetiam diversas vezes, os

VNTRs (Variable number of tandem repeats) (JEFFREYS et al., 1985). O DNA

fingerprinting utiliza polimorfismos observados nas regiões não codificantes que

variam entre indivíduos (MCNAMARA-SCHROEDER et al., 2006).

Este tipo de análise de DNA só foi possível devido a técnica desenvolvida por

Jeffreys que usava enzimas de restrição que hidrolisavam o DNA em regiões

flanqueadoras dos VNTRs. O conjunto de número de repetições para diferentes

fragmentos parecia ser único para cada indivíduo, desta forma, possibilita ser

aplicado na identificação humana (ZAGORSKI, 2006).

Tão logo o primeiro artigo sobre o tema foi publicado no periódico Nature em

1985, a técnica de Jeffreys foi colocada a teste em um caso jurídico de investigação

de parentesco. Um jovem que voltava de Gana para Inglaterra foi acusado de portar

um passaporte falso, que pertencia a um filho de um casal ganense que eram

cidadãos ingleses. O teste de DNA confirmou com sucesso que realmente o jovem

era filho do casal, resolvendo este problema de imigração (WATSON, 2005).

Entre 1986 e 1988, dois crimes correlacionados foram resolvidos com ajuda

da análise de DNA – estupros seguidos de morte contra duas adolescentes de 15

anos de idade. As análises de DNA das amostras de sêmen coletadas nas duas

vítimas indicaram que um mesmo homem havia cometido os dois crimes. Um

Page 3: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

suspeito confessou ter sido o autor do segundo, mas não do primeiro crime,

entretanto seu perfil genético não correspondia ao das amostras de sêmen. Richard

Buckland tornou-se, assim, a primeira pessoa inocentada pela análise de DNA

(ARONSON, 2005).

Após dois anos de busca pelo autor dos crimes, nos quais aproximadamente

5.000 moradores doarem amostras de sangue ou saliva, Colin Pitchfork foi preso e

condenado pelos estupros e homicídios (ZAGORSKI, 2006).

Estes e vários outros casos de sucesso fizeram da tipagem do DNA uma

técnica amplamente difundida, permitindo a análise de evidências em cenas de

crime e testes de vínculo genético. O número de exames genéticos conduzidos

aumenta a cada ano, e cria uma demanda por testes rápidos e baratos, porém com

alto índice de precisão e confiabilidade. Diversos fabricantes têm apresentado certas

alternativas, com diferentes metodologias de execução (HOUCK, 2006).

Os polimorfismos do DNA podem ser analisados após purificação simples

seguida por fragmentação com enzimas de restrição, porém como são geralmente

encontrados em baixa quantidade, é necessário que os fragmentos de interesse

sejam amplificados, por meio da reação em cadeia da polimerase (PCR). Após este

passo, os fragmentos identificados com marcadores fluorescentes, são separados

com base no seu tamanho, seja por uma malha sólida de agarose ou por capilares,

e comparados com marcadores para gerar um perfil genético (ANDRADE, 2008).

Este trabalho busca demonstrar um dos mais recentes avanços na área, o

sistema de análises PLEX-ID, que identifica fragmentos com alta precisão por

espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA.

Devido a sua alta sensibilidade, esta técnica permite não somente a análise dos

SRTs, mas também de mutações em um único nucleotídeo (SNPs) de forma rápida,

o que permite uma análise muito mais acurada, gerando um laudo mais preciso e

confiável (SOBRINO et al., 2005; OBERACHER et al., 2007). Busca-se também com

este trabalho comparar esta técnica a outros métodos presentes no mercado.

Page 4: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

2 METODOLOGIA

Trata de uma revisão de literatura baseada em trabalhos científicos que

trataram do tema em questão, preferencialmente publicados a menos de 10 anos.

Parte do material foi pesquisada em sites de busca tais como: Scielo, Google

Acadêmico, Science Direct, Web of Science e PubMed., buscando artigos

principalmente publicados entre 2002 e 2012. As palavras chaves utilizadas foram:

History of Forensic DNA, DNA Fingerprint, Plex-ID, Mass spectrometry analysis of

DNA. Outra parte do material utilizado foi obtida por meio da busca livre em internet

dos manuais e guias dos equipamentos e técnicas utilizadas e vídeos.

3 DISCUSSÃO

3.1 Análise de perfis de DNA

Desde o início das aplicações do DNA forense, por volta dos anos 80, é

observado um aumento na sensibilidade e poder de discriminação destes testes. Em

conjunto, foi observada uma redução do tamanho dos fragmentos de DNA passíveis

de serem analisados, possibilitando assim a apreciação de amostras em alto grau de

degradação, que são encontrados com frequências em análises forenses (SENGE et

al., 2011).

O principal método para análise do DNA mencionado é a análise de

repetições curtas em paralelo ou STRs (short tandem repeats). Estes fragmentos

ocorrem em regiões não codantes em padrões envolvendo repetições de 2 a 5 pares

de bases diretamente adjacentes. Os STRs variam em número de repetições, que

podem ser analisadas criando o perfil genético de um indivíduo (CARRACEDO,

2007).

Dentre as características que contribuem para aplicação dos STRs na prática

forense, pode se destacar o alto grau de polimorfismo em humanos e o tamanho

relativamente pequeno dos amplicons - de 100 a 400 pares de bases (pb)- o que

Page 5: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

facilita a amplificação dos fragmentos e a possibilidade de se realizar reações em

multiplex, permitindo a análise de vários STRs simultaneamente (OBERACHER et

al., 2007).

Outro fator relevante para o estabelecimento da análise de STRs foi o

desenvolvimento de nomenclaturas internacionais amplamente usadas, permitindo a

comparação direta entre banco de dados de diferentes serviços de inteligência

presentes em vários países (OBERACHER et al., 2007). Um conjunto de loci foi

estabelecido para análise dos STRs, sendo os mais usados exemplificados na

figura 1.

Figura 1. Principais STRs e seus respectivos locus cromossomais (Adaptado de http://www.cstl.nist.gov/strbase/fbicore.htm).

A tipagem de STRs geralmente é realizada pela amplificação por PCR dos

STRs e medição dos fragmentos. Um dos primeiros tipos de análise destes

marcadores era realizado em gel por meio da comparação com os tempos de

migração de marcadores alélicos. Esta técnica foi aos poucos sendo substituída pela

eletroforese capilar (BUTLER, 2007).

A eletroforese capilar com detecção multicor de fluorescência é o método

mais usado para tipagem de STRs, oferecendo a resolução de um par de bases

Page 6: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

para discriminação dos alelos. Além de poder medir o comprimento dos alelos de

PCR amplificados, esta técnica pode ainda oferecer outras informações, a exemplo

de variações de um único nucleotídeo que podem ocorrem diferentemente entre

perfis avaliados (BUTLER et al., 2004).

Os STRs podem ser classificados como simples, quando encontradas

repetições com apenas unidades idênticas quanto à sequência e comprimento (Ex.

GAGTn); compostos, quando apresentam repetições que contém 2 ou mais

repetições simples adjacentes (GAGTnTATAn); e complexos, quando apresentam

repetições que contém muitos blocos de unidades repetidos espaçados por

sequências intervenientes que variam mais ou menos em comprimento (Ex.

GAGTnAAGAGTnTAGAGTn) (URQUHART et al., 1994).

Apesar de disponibilizar informações mais completas, é pouco provável que o

sequenciamento dos STRs, para identificação de polimorfismos, substitua a análise

convencional do tamanho dos fragmentos, principalmente devido à grande

disponibilidade e baixo custo da última. Porém, estudos recentes indicam que é

possível analisar também a presença de SNPs (polimorfismos de um único

nucleotídeo), sem que seja necessário o sequenciamento dos fragmentos

(OBERACHER et al., 2007).

Os SNPs são variação de um único nucleotídeo que ocorrem em média a

cada centena de bases do genoma humano, e que podem ser encontradas também

nos STRs. Eles parecem corresponder a 85% dos polimorfismos observados no

DNA. Muitos loci de SNPs já foram caracterizados, e existe um grande número de

estudos relacionados a variações em diferentes populações humanas (BUTLER et

al., 2007).

Dentre as vantagens da aplicação dos SNPs na identificação, pode se citar o

fato de que os mesmos podem ser encontrados em amostras de DNA com maior

grau degradação, uma vez que a região alvo é menor. Outra grande vantagem dos

SNPs refere-se ao fato de que a taxa de mutação deste tipo de polimorfismo é

aproximadamente 100.000 vezes menor que para os STRs. Por fim, a análise de

SNPs de determinados genes pode ser útil no futuro para determinação de

características físicas e éticas de indivíduos (BUTLER et al., 2007).

Page 7: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

Dentre as desvantagens, pode se citar o baixo poder de discriminação por

alelo, uma vez que os SNPs são pouco polimórficos. É observada também uma

diminuição do poder de discriminação dos SNPs quando encontrados em misturas,

devido ao número limitado de alelos. Finalmente, o número de plataformas

comerciais disponíveis para análise de SNPs ainda é pequeno. A tabela 1 compara

as principais características dos STRs e SNPs (BUTLER et al., 2007; GLOVER et

al., 2010)

Tabela 1. Características dos SNPs e STRs em relação à prática forense. Adaptada de Oberacher,

2007.

Característica STR SNP

Análise de DNA degradado Prejudicada Favorecida

Poder de discriminação por alelo Alto Baixo

Detecção em misturas Alta Baixa

Determinação de características físicas e étnicas Baixa ou nula Alta

Taxa de mutação 10-3 10-8

Plataformas comerciais disponíveis para análise Muitas Poucas

3.2 Princípios gerais de espectrometria de massas

Antes de discutir sobre o potencial da técnica de espectrometria de massas

na genotipagem de DNA, faz-se necessária uma melhor compreensão dos princípios

no qual esta técnica se baseia.

A espectrometria de massas é uma técnica analítica que mede a relação

massa/carga de partículas carregadas. Por meio da espectrometria de massas é

possível determinar a composição elemental de uma amostra ou molécula. Um

espectrômetro de massa geralmente é composto por: uma fonte de íons, que

converte os analitos em íons; um analisador de massa, que separa os íons por

campos eletromagnéticos; e um detector, que detecta o valor relativo de cada íon

(EL-ANEED, 2009).

Muitos espectros de massa são acoplados a sistemas cromatográficos, que

possibilitam a separação dos componentes antes da análise, gerando melhores

resultados (HALL et al., 2005). A figura 2 ilustra as configurações necessárias para

caracterização de ácidos nucléicos.

Page 8: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

O sistema de análise é constituído geralmente por duas partes, a

cromatográfica e a de espectrometria de massas. A parte cromatográfica possui uma

bomba que controla o fluxo e pressão do equipamento, um amostrador e uma coluna

acoplada a um termostato, que quando necessário, aumenta a temperatura da

coluna (65°–75°C), desnaturando o DNA e possibilitando a análise individual das

fitas complementares (OBERACHER et al., 2007).

Figura 2. Esquema geral de um sistema de cromatografia líquida acoplado a espectrometria de massas para análise de moléculas de DNA. (1) Bomba, (2) Reservatório de solventes, (3) Degaseificador, (4) Separador em ”T”, (5) Capilar restritor, (6) Amostrador automático (7) Injetor (8) Agulha, (9) Dispensador, (10) Termostato da coluna, (11) Coluna de capilar monolítica, (12) Espectro de massa do tipo quadrupolo/quadrupolo/TOF, (13) Fonte de ionização de eletrospray, (14) Entrada de gás, (15) Barras quadrupolo, (16) Sistema de vácuo, (17) Célula de colisão, (18) Pusher (Empurrador), (19) Reflectron, (20) Detector. Adaptado de Oberacher (2007).

Este sistema cromatográfico possibilita ainda a dessalinização dos ácidos

nucléicos antes da análise, aumentando a qualidade do espectro gerado e os limites

de detecção. O eluente usado para remover os ácidos nucléicos da coluna confere

ainda a essas moléculas o estado ionizado, devido a sua grande força iônica. Por

fim, uma agulha de electrospray cria um fino aerossol que adentra na entrada de gás

do espectrômetro (OBERACHER et al., 2007).

O segundo componente do equipamento, consiste em um espectrômetro de

massa com analisador do tipo tempo-de-voo (time-of-flight,TOF). A análise de TOF

acontece quando os íons gerados no electrospray são acelerados por um campo

elétrico de força conhecida. A energia cinética dos mesmos é medida ao se analisar

o tempo que a partícula ionizada leva para alcançar o detector. Partículas com

menor carga são mais lentas, assim como partículas de maior massa. A partir de

Page 9: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

parâmetros experimentais, é possível encontrar a razão massa/carga para cada íon

analisado (VESTAL et al., 2005).

O TOF é tipo de analisador mais comum usado em análises de DNA. Devido

a sua alta sensibilidade, pode ser usada para detectar e discriminar moléculas com

até 250 nucleotídeos. (VESTAL et al., 2005).

3.3 Análise de genótipos por espectrometria de massas

Uma das formas recentemente desenvolvidas para análise de SNPs sem a

necessidade de sequenciamento, incluindo os presentes em STRs, é a genotipagem

por espectrometria de massas (HALL et al., 2005). A figura 2 ilustra o fluxo de

trabalho aplicado durante a análise de genótipos por espectrometria de massas.

Figura 3. Esquema representando a análise de genótipos por espectrometria de massas.

Primeiramente é feita uma busca em um banco de dados, que possibilita, por meio das sequencias

encontradas, desenhar iniciadores, necessários ao preparo da PCR. Em seguida os fragmentos

amplificados são analisados por espectrometria de massa (MS), onde é medida a relação massa/

carga dos fragmentos. Os dados gerados serão então tratados com um programa adequado e as

sequencias serão determinadas. Com a impossibilidade de resolução da sequencia pela massa

adquirida, a espectrometria em sequencia (MS/MS) é realizada seguidamente, onde os fragmentos

são ionizados e selecionados por sua relação massa carga e depois medidos. (Fonte: Autoria

Própria)

Page 10: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

A análise do DNA começa com o preparo da amostra a ser processada.

Inicialmente, é realizada uma busca no banco em bancos de dados dos genótipos

que se busca estudar, elencando assim os iniciadores (primers) a serem utilizados

(OBERACHER et al., 2007).

Em seguida, a técnica da reação em cadeia da polimerase (PCR) é utilizada

para amplificar os fragmentos. Avaliando corretamente o tamanho dos genes, para

evitar sobreposição de tamanho, é possível que testes multiplex sejam desenhados,

ou seja, várias sequências podem ser amplificadas em uma mesma reação

(OBERACHER et al., 2007).

Após um determinado número de ciclos, os produtos de PCR são

desalinizados, desnaturados e então analisados quanto ao seu tamanho por

espectrometria de massas (MS). Em seguida compara se o valor de massa

observado com o valor teórico calculado para cada sequência (OBERACHER et al.,

2007).

A diferença de massa, quando observada, indica variação de sequência, que

pode estar tanto relacionada a variações no comprimento dos alelos como variações

de nucleotídeos únicos. Vale lembrar que, por esta técnica, o exato da alteração da

sequência não é avaliado. Quando requerido, cliva-se a sequência de DNA em

fragmentos específicos, que são novamente analisados (MS/MS), permitindo assim

a reconstrução da sequência de ácidos nucléicos (OBERACHER et al., 2002).

Devido ao seu grande potencial, a identificação de genótipos por

espectrometria de massas pode ser usada com sucesso para identificação de SNPs

em STRs, aumentando assim consideravelmente seu poder de discriminação. Esta

técnica também é aplicável à análise de DNA mitocondrial (mtDNA), que apresenta a

maior parte de suas variações na forma de SNPs. A análise de mtDNA, que por seu

maior grau de estabilidade se apresenta em alguns casos como única fonte de

comparação, é muito favorecida pelo uso da espectrometria de massas, que parece

ser mais rápida e apresentar menor custo do que o método de análise convencional

por sequenciamento (HALL et al., 2005; PETKOVSKI et al., 2005).

Page 11: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

3.4 O sistema PLEX-ID™: identificação humana por STRs e SNPs

O sistema PLEX-ID™ foi inicialmente desenvolvido com o nome de Ibis T5000

pela empresa Ibis Biosciences, que foi adquirida pela Abbott em 2009. O

equipamento foi criado com o intuito de detectar e caracterizar microrganismos de

forma rápida (SAMPATH, 2011). O sistema PLEX-ID™ é constituído basicamente

por um dessalinizador acoplado a um espectrômetro de massas (Figura 4).

Figura 4. O sistema PLEX-ID™. A) Vista externa da plataforma. B) Esquema interno do aparelho,

com ênfase nos principais componentes.

Após a amplificação, os produtos de PCR, sintetizados externamente em

placas de 15 a 96 poços, são inseridos no equipamento, identificados por código de

barras e passam por um carrossel de dessalinização para retirada de

contaminantes. A amostra segue então diretamente para um electrospray (ESI)

acoplado a um espectrômetro de massa do tipo TOF (BIOSCIENCES, 2011).

Todos os comandos do aparelho são controlados por uma tela sensível ao

toque. O sistema PLEX-ID™ possui ainda uma fonte de alimentação ininterrupta (no-

break) de série, para proteger o equipamento de oscilações no fornecimento de

energia (BIOSCIENCES, 2011).

Outra característica importante do equipamento são seus programas de

operação. Eles permitem tanto controlar o equipamento quanto analisar os

resultados obtidos (BIOSCIENCES, 2011).

Page 12: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

O PLEX-ID™ pode ser usado para análise de STRs, com um kit vendido pela

própria fabricante que usa os loci internacionalmente reconhecidos do CODIS. O kit

é composto de placas contendo todos os componentes necessários para

amplificação dos fragmentos. Como alguns loci possuem tamanho semelhante, eles

são separados na placa, de forma que oito poços são usados para avaliação de

quatorze genótipos (BIOSCIENCES, 2011). O modelo de configuração desta placa

de análise encontra-se na figura 5.

Figura 5. Esquema de uma placa do teste de STRs PLEX-ID. Este método usa os loci padrão do CODIS, além do locus da amelogenina. Em cada uma das dez primeiras colunas pode-se analisar uma amostra, enquanto que as duas últimas colunas são reservadas para os controles negativos e positivos. Adaptada do manual PLEX-ID STR CODIS Loci v2.0 Assay.

Durante a análise de STRs, a precisão de dados gerada suporta o estudo de

SNPs nos loci, aumentando consideravelmente o poder de discriminação de cada

locus (BIOSCIENCES, 2011).

3.5 Aplicações em tipagens de mtDNA

A análise do DNA mitocondrial (mtDNA) é útil na prática forense devido a

duas propriedades inerentes. A primeira se relaciona ao fato de que o genoma

mitocondrial é altamente polimórfico, sendo assim útil na identificação humana. O

mtDNA apresenta duas regiões altamente variáveis, HV1 e HV2, que quando

necessário são amplificadas e sequenciadas, permitindo assim a criação de perfis

de mtDNA (NILSSON et al., 2008).

Page 13: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

A segunda propriedade está relacionada ao grande o número de cópias que

existem em cada célula, apesar de o mtDNA compor apenas 1% do DNA total.

Devido a esta característica, o mtDNA é encontrado com frequência em estado

analisável em amostras altamente degradadas, por vezes aparecendo como único

marcador disponível em vestígios de ossos, dentes e pelos (NILSSON et al., 2008).

Como citado anteriormente, durante a análise do mtDNA as regiões

hipervariáveis são usualmente amplificadas por PCR e sequenciadas por

eletroforese capilar. O sequenciamento, porém é caro e trabalhoso. O sistema

PLEX-ID™ permite a análise, por meio da amplificação e espectrometria de massas,

destas regiões hipervariáveis, identificando prontamente mutações úteis para

diferenciação de indivíduos (BIOSCIENCES, 2011).

Além disto, o sistema PLEX-ID™ também é útil na análise de casos de

heteroplasmia, onde um indivíduo apresenta mais de um tipo de mtDNA, uma vez

que o grau de pureza é menor que o requerido para o sequenciamento. A medição

da massa por espectrometria permite avaliar prontamente se mais de uma espécie

de DNA mitocondrial se apresenta em um indivíduo (BIOSCIENCES, 2011).

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A determinação da massa molecular de uma sequência de DNA possui

muitos benefícios, principalmente no campo forense. Dentre eles, pode se citar o

fato de que variações de sequência observadas podem aumentar o poder de

discriminação dos testes comparado às análises convencionais, uma vez que se

pode se detectar facilmente alterações em um único nucleotídeo em moléculas de

até 250 bases.

Além disto, por meio desta técnica pode se trabalhar com os mesmos

marcadores usados convencionalmente, o que facilita a implantação do método. A

espectrometria de massa aplicada ao DNA possui muitas vantagens sobre a

eletroforese capilar com fluorescência, sendo mais rápida e barata, não necessita de

marcadores internos ou calibração espectral.

Page 14: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

Apesar de já presente no mercado, de acordo com informações de catálogo

do sitio do fabricante, o preço do equipamento é bastante alto, por volta de duzentos

mil dólares, que pode ser compensado pelo relativo baixo custo de análise

(AFSHARI et al., 2012). Devido ao seu tamanho, o equipamento não pode ser

levado ao campo, sendo as análises realizadas no laboratório. Por fim, a operação

exige técnicos altamente treinados, pois mesmo com o avanço dos programas de

computador, faz se necessário interpretar alguns dados manualmente.

No entanto, estas desvantagens são superadas pelo alto nível acurácia dos

dados gerados, principalmente na análise de microrganismos e amostras forenses,

onde a possibilidade de estudo de amostras degradadas mostra o grande potencial

do sistema desenvolvido.

Page 15: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AFSHARI, A.; SCHRENZEL, J.; IEVEN, M.; HARBARTH, S. Bench-to-bedside review: Rapid molecular diagnostics for bloodstream infection - a new frontier? Crit Care, v. 16, n. 3, p. 222, May 29 2012.

ANDRADE, A. K. F. M. D. A utilização de técnicas de biologia molecular na genética forense: uma revisão. Revista Brasileira de Análises Clínicas, v. 40, n. 1, p. 17-23, 2008.

ARONSON, J. D. DNA fingerprinting on trial: the dramatic early history of a new forensic technique. Endeavour, v. 29, n. 3, p. 126-31, Sep 2005.

BIOSCIENCES, A. I. Plex ID, The Next Evolution in Human Identification: 67:06 p. 2011.

BUTLER, J. M. Short tandem repeat typing technologies used in human identity testing. Biotechniques, v. 43, n. 4, p. ii-v, Oct 2007.

BUTLER, J. M.; BUEL, E.; CRIVELLENTE, F.; MCCORD, B. R. Forensic DNA typing by capillary electrophoresis using the ABI Prism 310 and 3100 genetic analyzers for STR analysis. Electrophoresis, v. 25, n. 10-11, p. 1397-412, Jun 2004.

BUTLER, J. M.; COBLE, M. D.; VALLONE, P. M. STRs vs. SNPs: thoughts on the future of forensic DNA testing. Forensic Sci Med Pathol, n. 3, p. 200–205, 2007.

CARRACEDO, A., SOBRINO, B., LAREU, M. V. Forensic DNA typing technologies: a review. UK: Elsevier, 2007.

DAHM, R. Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research. Hum Genet, v. 122, n. 6, p. 565-81, Jan 2008.

EL-ANEED, A., COHEN, A., BANOUB, J. Mass Spectrometry, Review of the Basics: Electrospray, MALDI, and Commonly Used Mass Analyzers. Applied Spectroscopy Reviews, v. 44, n. 3, p. 210-230, 2009.

GLOVER, K. A.; HANSEN, M. M.; LIEN, S.; ALS, T. D.; HOYHEIM, B.; SKAALA, O. A comparison of SNP and STR loci for delineating population structure and performing individual genetic assignment. BMC Genet, v. 11, p. 2, 2010.

HALL, T. A.; BUDOWLE, B.; JIANG, Y.; BLYN, L.; ESHOO, M.; SANNES-LOWERY, K. A.; SAMPATH, R.; DRADER, J. J.; HANNIS, J. C.; HARRELL, P.; SAMANT, V.;

Page 16: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

WHITE, N.; ECKER, D. J.; HOFSTADLER, S. A. Base composition analysis of human mitochondrial DNA using electrospray ionization mass spectrometry: a novel tool for the identification and differentiation of humans. Anal Biochem, v. 344, n. 1, p. 53-69, Sep 1 2005.

HOUCK, M. M. A realidade do CSI. Advogados, investigadores e educadores avaliam o impacto de séries televisivas populares sobre a ciência forense. Scientific American Brasil, v. 51, 2006.

JEFFREYS, A. J.; WILSON, V.; THEIN, S. L. Individual-specific 'fingerprints' of human DNA. Nature, v. 316, n. 6023, p. 76-9, Jul 4-10 1985.

MCNAMARA-SCHROEDER, K.; OLONAN, C.; CHU, S.; MONTOYA, M. C.; ALVIRI, M.; GINTY, S.; LOVE, J. J. DNA fingerprint analysis of three short tandem repeat (STR) loci for biochemistry and forensic science laboratory courses. Biochem Mol Biol Educ, v. 34, n. 5, p. 378-83, Sep 2006.

NILSSON, M.; ANDREASSON-JANSSON, H.; INGMAN, M.; ALLEN, M. Evaluation of mitochondrial DNA coding region assays for increased discrimination in forensic analysis. Forensic Sci Int Genet, v. 2, n. 1, p. 1-8, Jan 2008.

OBERACHER, H.; PARSON, W. Forensic DNA fingerprinting by liquid chromatography-electrospray ionization mass spectrometry. Biotechniques, v. 43, n. 4, p. vii-xiii, Oct 2007.

OBERACHER, H.; WELLENZOHN, B.; HUBER, C. G. Comparative sequencing of nucleic acids by liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Anal Chem, v. 74, n. 1, p. 211-8, Jan 1 2002.

PETKOVSKI, E.; KEYSER-TRACQUI, C.; HIENNE, R.; LUDES, B. SNPs and MALDI-TOF MS: tools for DNA typing in forensic paternity testing and anthropology. J Forensic Sci, v. 50, n. 3, p. 535-41, May 2005.

SAMPATH, R. Advanced Techniques for Detection and Identification of Viral Contaminants Using the Ibis PLEX-ID Universal Biosensor. PDA J Pharm Sci Technol, v. 65, n. 6, p. 690, Nov 1 2011.

SENGE, T.; MADEA, B.; JUNGE, A.; ROTHSCHILD, M. A.; SCHNEIDER, P. M. STRs, mini STRs and SNPs--a comparative study for typing degraded DNA. Leg Med (Tokyo), v. 13, n. 2, p. 68-74, Mar 2011.

SOBRINO, B.; BRION, M.; CARRACEDO, A. SNPs in forensic genetics: a review on SNP typing methodologies. Forensic Sci Int, v. 154, n. 2-3, p. 181-94, Nov 25 2005.

Page 17: NOVO SISTEMA AUTOMATIZADO DE GENOTIPAGEM DE … E BIOLOGICAS/NOVO... · espectrometria de massas, baseando-se na massa observada da molécula DNA. ... A eletroforese capilar com detecção

URQUHART, A.; KIMPTON, C. P.; DOWNES, T. J.; GILL, P. Variation in short tandem repeat sequences--a survey of twelve microsatellite loci for use as forensic identification markers. Int J Legal Med, v. 107, n. 1, p. 13-20, 1994.

VESTAL, M. L.; CAMPBELL, J. M. Tandem time-of-flight mass spectrometry. Methods Enzymol, v. 402, p. 79-108, 2005.

WATSON, J. B., A. DNA: O segredo da Vida. São Paulo: Companhia das Letras, 2005.

WATSON, J. D.; CRICK, F. H. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, v. 171, n. 4356, p. 737-8, Apr 25 1953.

ZAGORSKI, N. Profile of Alec J. Jeffreys. Proc Natl Acad Sci U S A, v. 103, n. 24, p. 8918-20, Jun 13 2006.