Primul cântar de molecule

O echipă de cercetători de la California Institute of Technology (Caltech) au creat primul dispozitiv mecanic care poate măsura masa moleculelor individuale, pe rând. Acest dispozitiv va putea folosit în multiple domenii, ajutându-i pe cercetători.

Cercetătorii afirmă că această tehnologie va ajuta în final medicii să diagnosticheze boli, biologii să studieze virusuri şi să inspecteze mecanismul molecular al celulelor şi chiar oamenii de ştiinţă pentru măsurarea mai precisă a nanoparticulelor şi poluării aerului.

Echipa include cercetători din Institutul Kavli Nanoscience, Caltech şi de la Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives, Laboratoire d'électronique des technologies de l'information (CEA-LETI) din Grenoble, Franţa. O descriere a acestei tehnologii, care include nano-dispozitive create sub formă de prototip în laboratoarele CEA-LETI, se găseşte în versiunea online a revistei Nature Nanotechnology din 26 August.

Acest micrograf cu electroni arată unul din dispozitivele pentru scanat molecule. Secţiunea asemănătoare unui pod din centru vibrează lateral. Scara din josul imaginii are doi microni (milionimi de metru)
Credit: Caltech/Scott Kelberg şi Michael Roukes

Dispozitivul – a cărei dimensiune este de ordinul milionimilor de metru – este constituită dintr-o minusculă structură vibrantă asemănătoare unui pod. Când o particulă sau moleculă ajunge pe pod, masa acesteia schimbă frecvenţa de oscilaţie într-un mod care-i dezvăluie masa.

“Pe măsură ce fiecare particulă trece pe pod, îi putem măsura masa,” spune Michael Roukes, profesor de fizică şi bio-inginerie, deţinător al titlului de Robert M. Abbey Professor of Physics la Caltech. “Nimeni nu a mai reuşit acest lucru.”

Acest nou instrument este bazat pe o tehnică dezvoltată de Roukes şi colegii săi în ultimii 12 ani. În lucrarea publicată în 2009, ei au arătat cum un dispozitiv asemănător unui pod – numit sistem rezonator nanoeletromecanic (SNEM) – ar putea să măsoare într-adevăr masele particulelor individuale care erau pulverizate pe aparat. Dificultatea consta în faptul că variaţiile de frecvenţă măsurate depindeau nu doar de masa concretă a particulei, ci, de asemenea, de locul în care particula ateriza. Fără a şti locul de aterizare a particulei, cercetătorii au fost nevoiţi să analizeze măsurătorile pentru aproximativ 500 de particule identice pentru a determina uneia.

Dar cu această nouă şi îmbunătăţită tehnică, oamenii de ştiinţă au nevoie de o singură particulă pentru a efectua o măsurătoare. “Progresul critic pe care l-am făcut în prezent munca noastră este că ne permite să cântărim moleculele – una câte una – pe măsură ce ele intră“ spune Roukes.

Pentru a face acest lucru, cercetătorii au analizat cum o particulă modifică frecvenţa de vibrație a podului. Întreaga mişcare oscilatorie este compusă din aşa-numitele moduri de vibraţie. Dacă podul ar vibra în primul mod, acesta s-ar legăna într-o parte şi alta, cu centrul structurii mişcându-se cel mai mult. Al doilea mod de vibraţie este de frecvenţă mai înaltă, caz în care jumătate de pod se deplasează lateral într-o direcţie în timp ce jumătatea cealaltă se deplasează în direcţia opusă, formând o undă oscilatorie în formă de S care se întinde pe toată lungimea podului. Există şi un al treilea mod, al patrulea, ş.a.m.d. De fiecare dată când podul oscilează, mişcarea acestuia poate fi descrisă ca o combinaţie de aceste moduri de vibraţie.

Echipa a descoperit că prin observarea felului în care primele două moduri îşi schimbă frecvenţele când o particulă ajunge pe pod, se poate determina masa particulei şi poziţia ei, explică Mehmet Selim Hanay, un cercetător postoctorand la laboratorul lui Roukes şi prim-autor al lucrării. “Cu fiecare măsurătoare putem determina masa particulei, ceea ce nu era posibil cu structuri mecanice, anterior.“

În mod tradiţional, moleculele sunt cântărite folosind o metodă numită spectroscopie de masă, în care zeci de milioane de molecule sunt ionizate – pentru a primi o sarcină electrică - şi interacţionează cu un câmp electromagnetic. Analizând această interacţiune, oamenii de ştiinţă pot deduce masa moleculelor.

Problema cu această metodă este că nu funcţionează satisfăcător pentru particule mai masive – precum proteinele şi virusurile – care acceptă o sarcină electrică mai greu. Prin urmare, interacţiunile acestora în câmpurile magnetice sunt prea slabe pentru ca instrumentele să facă măsurători suficient de precise.

Noul dispozitiv, pe de altă parte, funcţionează în cazul particulelor masive. Mai mult decât atât, spun cercetătorii, acesta poate fi integrat cu instrumentele comerciale din prezent pentru a le extinde capabilităţile, permiţându-le să măsoare o plaja mai largă de valori ale maselor.

Cercetătorii au demonstrat cum funcţionează noul lor instrument prin măsurarea unei molecule numită imunoglobină M (Ig M), un anticorp produs de celulele imunitare în sânge. Prin măsurarea fiecărei molecule – care poate avea diverse structuri cu diferite mase în organism – cercetătorii au putut număra şi identifica diferitele tipuri de IgM. Nu doar că a fost prima dată când o moleculă biologică a fost măsurată cu ajutorul unui sistem nanomecanic, dar demonstraţia a fost un pas direct către aplicaţii biomedicale. Viitoare instrumente ar fi putea fi folosite pentru a monitoriza sistemul imunitar al pacienţilor sau chiar pentru a diagnostica boli imunologice. Spre exemplu, o anumită concentraţie de molecule IgM este un semn pentru un tip de cancer numit macroglobulinemie Waldenström.

În viitorul mai îndepărtat, noua unealtă ar putea oferi biologilor o imagine asupra mecanismului molecular al unei celule. Proteinele conduc aproape toate funcţiile unei celule, iar sarcina lor specifică depinde de ce fel de structuri moleculare li se ataşează – prin urmare adăugându-le masă – în timpul unui proces numit modificare posttranslaţională. Prin cântărirea fiecărei proteine dintr-o celulă în momente diferite, biologii vor putea acum să obţină un cadru detaliat cu ce face acea proteină în acel moment.

Un alt avantaj al noului dispozitiv este că în construcţia sa se folosesc tehnici de fabricaţie standard pe bază de semiconductori, făcând uşor posibilă producţia în masă. Acest lucru este crucial deoarece instrumentele de care doctorii şi biologiştii vor avea nevoie de configuraţii de zeci de mii de astfel de poduri cuantice funcţionând în paralel, pentru ca unealta să fie eficientă. “Cu încorporarea dispozitivelor care sunt fabricate cu tehnici destinate integrării universale, suntem pe drumul cel bun în a crea astfel de unelte,” spune Roukes. Această nouă tehnologie, spun cercetătorii, va permite dezvoltarea unei noi generaţii de unelte pentru spectroscopie masică.

“Acest rezultat demonstrează cum Alianţa pentru Nanosisteme VLSI, iniţiată în 2006, creează un mediu favorabil pentru a efectua experimente inovative cu dispozitive produse în masă de ultimă generaţie“, spune Laurent Malier, director al CEA LETI. Alianţa pentru Nanosisteme VSLI este numele parteneriatului dintre Institutul Kavli Nanoscience de la Caltech şi CEA-LETI. “Aceste dispozitive” spune Malier, “vor echipa aplicaţii comerciale, mulţumită avantajului costurilor şi repetabilităţii procesului.”