Micromanipulação de partículas superparamagnéticas utilizando feixes de Bessel e estudo das interações DNA-líquidos iônicos

Abstract

Este 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.

This work is divided into two parts. In the first we propose a Bessel beam optical tweezers setup capable to stably trap superparamagnetic beads. The trap stiffness measured is practi- cally independent on the radius of the Bessel beam and on the bead height (distance from the coverlip of the sample chamber), indicating that the beads can be trapped with high accuracy within a wide range of such parameters. On the other hand, the trap stiffness exhibits the ex- pected linear increase with the laser power, despite the nonnegligible absorption coefficient of the superparamagnetic beads. A geometrical optics model that considers spherical aberration and light absorption by the beads was used to predict the trap stiffness, presenting an excel- lent agreement with the experimental data. The results presented here advance in the field of optical trapping manipulation of absorbing magnetic particles, and future applications involve, for example, the design of new hybrid optomagnetic tweezers. In the second part, we perfor- med a robust characterization of the molecular interactions between the DNA molecule and two imidazolium-based ionic liquids (ILs): 1-Butyl-3-methylimidazolium chloride ([bmim]Cl) and 1-Octyl-3-methylimidazolium chloride ([omim]Cl), using single molecule approaches (optical and magnetic tweezers) and bulk techniques (isothermal titration calorimetry and conducti- vity measurements). Optical and magnetic tweezers allowed us to obtain the changes on the mechanical properties of the DNA complexes formed with both ILs, as well as the relevant physicochemical (binding) parameters of the interaction. Despite the weak binding measured between DNA and the two ILs, we identify a transition on the regime of polymer elasticity of the complexes formed, which results in a relevant DNA compaction for high IL concentrations. In addition, isothermal titration calorimetry and conductivity complemented the single mole- cule investigation, giving a complete thermodynamic characterization of the interactions and allowing the identification of the most relevant driving forces at various different concentration ranges of the ILs. Based on the results obtained with all the employed techniques, we propose a model for the binding schemes involving DNA and both [bmim]Cl and [omim]Cl. Keywords: Holographic optical tweezers. Magnetic tweezers. Single molecule. DNA.