Nona Semana Integrada do Instituto de Física de São Carlos

.Simulação Monte Carlo dos efeitos microfísicos de radiações cósmicas ionizantes no DNA de seres vivos

Não agendado

20m

Doutorado

Palestrante

João Júlio Mendes Aguera (IFSC-USP-São Carlos)

Descrição

Os prótons são as principais partículas que constituem os Raios Cósmicos e o Vento Solar. Eles podem ser acelerados e adquirir energia cinética em fenômenos cósmicos galáticos(centros galácticos e quasares), estelares (Buracos Negros, Supernovas) e em nosso Sol por Ejeções de Massa Coronal(CME) e Eventos Solares de Prótons(SPEs).Quando estes prótons, após viajarem grandes distâncias, chegam em superfícies de planetas ou luas com a presença de bida biológica como conhecemos ( baseada em Carbono e Água e codificada por DNA) podem assumir o papel de radiações ionizantes e causar danos sensíveis aos organismos vivos.Existem dois tipos principais de danos causados pelas colisões dos prótons com as moléculas de DNA que são os danos diretos (Quebra de fitas simples e duplas – SSBs , DSBs e Clusters de dano acumulado); e os danos indiretos ( formações de espécies reativas do oxigênio(ROx).Os estudos dos efeitos das radiações têm sido feito por experimentos em células vivas e também por meio de simulações computacionais. Neste trabalho foram feitas apenas as simulações computacionais, utilizando um módulo plataforma de simulação Geant4, desenvolvida pelo CERN, chamada Geant4-DNA (1-3) que utiliza o método probabilístico de Monte Carlo para estimar os valores médios das quantidades associadas aos danos diretos e indiretos às moléculas de DNA.O Geant4 utiliza modelos análogos baseados em água líquida, com densidade 1,0 g/cm3, e realiza a simulação do bombardeio de prótons num alvo denominado phantom que são pequenas esferas preenchidas com água. Os danos diretos e indiretos são estimados para a deposição de energia na água e as condições da simulação permitem acessar o dano ao DNA.Os danos diretos foram calculados por meio de alguns algoritmos presentes nos pacotes de exemplos do Geant4-DNA, os algoritmos clustering e pdb4dna. As simulações foram feitas variando a energia dos prótons incidentes, chamados primários, entre 1keV e 10 meV e os valores médios das quebras simples e duplas (SSBs e DSBs) por partícula lançada foram obtidos pelo software de análise de dados chamado ROOT, que abre o output do Geant4.Além da energia cinética dos primários, também foram variados os raios dos phantoms para analisar a variação destes com o tamanho do alvo. Os danos indiretos foram calculados utilizando os algoritmos químicos chem1 e chem4, também presentes no pacote Geant4-DNA, que calculam as reações químicas que acontecem na água devido à passagem dos prótons. Estes algoritmos permitem calcular o fator radioquímico G, o número total de moléculas formadas e suas taxas de formação.Com os valores calculados pelas simulações, foram feitas modelagens matemáticas que permitem estimar os valores dos danos para energias diferentes das simulações, assim como visualizar as distribuições dos danos em função dos parâmetros analisados, energia e raio do phantom.Este modelos obtidos permitirão fazer previsões sobre os danos causados por fluxos de prótons estelares e de raios cósmicos, obtidos por satélites de observação como o ACE-Epham e também dados astronômicos. Estes modelos também serão importantes para ajudar na previsão dos danos causados a astronautas em missões espaciais, e também para analisar a habitabilidade de planetas como Marte, luas dos sistema solar como Encélados, Europa e Titã; e por fim em exoplanetas em outros sistemas solares.

Referências

1 FRANCIS, Z. et al. Simulation of DNA damage clustering after proton irradiation using and adapted DBSCAN algorithm. Computer Methods and Program in Biomedicine, v. 101, n.3, p.265-270,2011.
2 BERNAL, M.A. et al. Track structure modeling in liquid water: A review of the Geant4-DNA very low energy extension of the Geant4 Monte Carlo simulation toolkit. Physica Medica,v.31, n.8, p.861-874, 2015.
3 RAISALI, G. et al, Calculation of DNA strand breaks due to direct and indirect effects of Auger electrons from incorporated 123I and 125I radionuclides using the Geant4 computer code. International Journal of Radiation Biology, v.89, n.1, p.57–64, 2013.