L'illustrazione mostra due molecole di DNA in una scala nanofluidica. La scala confina le molecole di DNA, creando un'energia libera che è più alta in alto e più bassa in basso. Le molecole di DNA per lo più scendono le scale per ridurre la loro energia e rilassarsi, ma a volte salgono le scale mentre fluttuazioni microscopiche aumentano la loro energia. In basso:le immagini al microscopio mostrano due molecole di DNA nella scala. Le linee bianche frastagliate mostrano le loro traiettorie. Le lettere contrassegnano immagini diverse di ogni molecola prese a intervalli di un minuto. Le linee bianche verticali mostrano le posizioni dei bordi dei gradini. La molecola in alto a destra per lo più scende le scale. La molecola in basso a sinistra sale di due gradini prima di scendere. La spettroscopia di fluttuazione di rilassamento è un nuovo metodo di analisi di tali traiettorie fluttuanti per misurare l'energia libera dei sistemi microscopici. Credito:NIST
Cosa spinge le cellule a vivere e i motori a muoversi? Tutto si riduce a una quantità che gli scienziati chiamano "energia libera, " in sostanza l'energia che può essere estratta da qualsiasi sistema per svolgere un lavoro utile. Senza questa energia disponibile, un organismo vivente alla fine sarebbe morto e una macchina sarebbe rimasta inattiva.
Nel lavoro presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) e l'Università del Maryland a College Park, i ricercatori hanno ideato e dimostrato un nuovo modo per misurare l'energia libera. Utilizzando la microscopia per tracciare e analizzare il movimento fluttuante o la configurazione di singole molecole o altri piccoli oggetti, il nuovo metodo può essere applicato a una maggiore varietà di sistemi microscopici e nanoscopici rispetto alle tecniche precedenti.
"Gli scienziati hanno fatto affidamento sull'energia libera per comprendere i sistemi complessi sin dallo sviluppo dei motori a vapore. Questo concetto continuerà ad essere fondamentale tanto quanto progettiamo e progettiamo proteine e altri sistemi a singola molecola, " ha osservato David Ross del NIST, primo autore di un nuovo articolo su quest'opera in Fisica della natura . "Ma le misurazioni sono molto più difficili per quei piccoli sistemi, quindi approcci come quello nuovo che descriviamo saranno di fondamentale importanza, " Ha aggiunto.
Misurando i cambiamenti nell'energia libera quando un sistema si muove o altera la sua struttura interna, gli scienziati possono prevedere certi aspetti di come si comporterà un sistema vivente o come funzionerà una macchina, senza l'impossibile compito di tenere traccia dell'andirivieni di tutti gli atomi e le molecole che compongono il sistema.
Un esempio quotidiano di energia libera è nel motore a combustione interna di un'automobile, con un'energia totale pari all'energia del suo moto più il calore che genera. Sottraendo l'energia termica, che si disperde dal sistema, lascia l'energia libera.
In un metodo, gli scienziati usano un sensore di forza microscopico per attirare una proteina o una molecola di DNA, che può comportarsi come una molla in miniatura quando allungata o compressa, misurare i cambiamenti di forza e posizione mentre un sistema si rilassa e rilascia energia. Però, l'attacco del sensore di forza può disturbare il sistema microscopico e non può essere utilizzato per misurare variazioni di energia libera che non comportano un semplice cambiamento di posizione.
Il nuovo metodo, che può utilizzare la microscopia ottica per tracciare il movimento o la configurazione di piccoli sistemi, determina le energie libere senza l'attacco a un sensore di forza. La nuova analisi potrebbe rivelarsi un modo potente per scrutare il funzionamento interno di un'ampia varietà di sistemi microscopici, compresi i sistemi viventi come virus o cellule per comprendere meglio i processi, come l'apporto energetico, reazioni chimiche e il movimento delle molecole che mantengono in funzione i sistemi viventi.
"Siamo circondati da sistemi naturali che sfruttano le fluttuazioni microscopiche dell'energia libera, e ora abbiamo un modo per misurare meglio, comprendere, e, in definitiva, manipolare queste fluttuazioni noi stessi, ", ha affermato la coautrice Elizabeth Strychalski del NIST.
L'analisi si presta allo studio di sistemi microscopici che iniziano in uno stato altamente eccitato con alta energia, lontano dall'equilibrio con l'ambiente circostante, e poi rilassati di nuovo verso l'equilibrio. Le proprietà dei sistemi microscopici possono variare in modo significativo mentre si rilassano a causa del movimento casuale dovuto al continuo urto delle molecole circostanti. Il nuovo metodo, che il team chiama spettroscopia di fluttuazione di rilassamento (ReFlucS), utilizza le misurazioni di tali fluttuazioni durante il rilassamento per determinare l'energia libera.
"Il nostro approccio mostra che informazioni utili possono essere raccolte osservando i movimenti casuali di un sistema mentre si stabilizza da un stato lontano dall'equilibrio, ", ha affermato il coautore Christopher Jarzynski dell'Università del Maryland.
Come sistema esemplare, gli scienziati hanno studiato il movimento delle molecole di DNA confinate in uno spazio su scala nanometrica a forma di scala. Per infilarsi nei gradini più alti, quali sono le più superficiali, le molecole di DNA devono essere compresse più strettamente delle molecole che occupano i gradini inferiori. Ciò si traduce in una maggiore energia libera per le molecole in alto. Applicando un campo elettrico, il team ha guidato le molecole di DNA in cima alla scala. I ricercatori hanno quindi spento il campo elettrico e hanno osservato il movimento delle molecole con un microscopio ottico.
Le molecole di DNA per lo più scesero le scale mentre si rilassavano verso l'equilibrio, diminuendo la loro energia libera. Però, a causa di fluttuazioni microscopiche, le molecole di DNA di tanto in tanto risalivano le scale, aumentando la loro energia libera. I ricercatori hanno analizzato il movimento fluttuante delle molecole di DNA, consentendo loro di mappare il profilo dell'energia libera:quanta energia libera c'è in luoghi diversi, e dove l'energia è alta e bassa.
"ReFlucS fornisce l'accesso a informazioni sull'energia gratuita che prima erano inaccessibili, ", ha affermato il coautore Samuel Stavis del NIST.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
