Gli scienziati dell’Università del Wisconsin-Madison hanno sviluppato il metodo più sensibile mai realizzato finora per rilevare e profilare una singola molecola, sbloccando un nuovo strumento che ha il potenziale per comprendere meglio come gli elementi costitutivi della materia interagiscono tra loro. Il nuovo metodo potrebbe avere implicazioni per attività diverse, come la scoperta di farmaci e lo sviluppo di materiali avanzati.
Il risultato tecnico, dettagliato questo mese nella rivista Nature , segna un progresso significativo nel fiorente campo dell'osservazione di singole molecole senza l'ausilio di etichette fluorescenti.
Sebbene queste etichette siano utili in molte applicazioni, alterano le molecole in modi che possono oscurare il modo in cui interagiscono naturalmente tra loro. Il nuovo metodo senza etichetta rende le molecole così facili da rilevare che è quasi come se avessero delle etichette.
"Siamo molto entusiasti di questo", afferma Randall Goldsmith, professore di chimica della UW-Madison che ha guidato il lavoro. "Catturare i comportamenti a livello di singole molecole è un modo straordinariamente informativo per comprendere sistemi complessi e, se riesci a costruire nuovi strumenti che garantiscano un migliore accesso a quella prospettiva, tali strumenti possono essere davvero potenti."
Sebbene i ricercatori possano raccogliere informazioni utili studiando materiali e sistemi biologici su scala più ampia, Goldsmith afferma che osservare il comportamento e le interazioni tra le singole molecole è importante per contestualizzare tali informazioni, portando a volte a nuove conoscenze.
"Quando si vede come le nazioni interagiscono tra loro, tutto si riduce alle interazioni tra gli individui", afferma Goldsmith. "Non penseresti nemmeno di capire come i gruppi di persone interagiscono tra loro ignorando il modo in cui gli individui interagiscono tra loro."
Goldsmith insegue il fascino delle singole molecole da quando era ricercatore post-dottorato presso l'Università di Stanford più di dieci anni fa. Lì lavorò sotto la direzione del chimico W.E. Moerner, che ha ricevuto il Premio Nobel per la chimica nel 2014 per aver sviluppato il primo metodo di utilizzo della luce per osservare una singola molecola.
Dal successo iniziale di Moerner, i ricercatori di tutto il mondo hanno ideato e perfezionato nuovi modi per osservare questi minuscoli frammenti di materia.
Il metodo sviluppato dal team UW-Madison si basa su un dispositivo chiamato microrisonatore ottico o microcavità. Come suggerisce il nome, la microcavità è uno spazio estremamente piccolo in cui la luce può essere intrappolata sia nello spazio che nel tempo, almeno per pochi nanosecondi, dove può interagire con una molecola.
Le microcavità si trovano più comunemente nei laboratori di fisica o di ingegneria elettrica, non nei laboratori di chimica. La storia di Goldsmith nel combinare concetti provenienti da campi scientifici disparati è stata riconosciuta nel 2022 con un premio Polymath da Schmidt Futures.
Le microcavità sono costituite da specchi incredibilmente piccoli modellati proprio sopra un cavo in fibra ottica. Questi specchi in fibra ottica rimbalzano la luce avanti e indietro molte volte molto rapidamente all'interno della microcavità.
I ricercatori lasciano che le molecole cadano nella cavità, lasciano che la luce la attraversi e non solo possono rilevare la presenza della molecola, ma anche apprendere informazioni su di essa, come la velocità con cui si muove attraverso l'acqua. Queste informazioni possono essere utilizzate per determinare la forma o conformazione della molecola.
"La conformazione a livello molecolare è incredibilmente importante, in particolare per riflettere su come le biomolecole interagiscono tra loro", afferma Goldsmith.
"Diciamo che hai una proteina e un farmaco composto da piccole molecole. Vuoi vedere se la proteina è drogabile, vale a dire:'Il farmaco ha qualche tipo di interazione importante con la proteina?' Un modo in cui potresti vederlo è se introduce un cambiamento conformazionale."
Esistono altri modi per farlo, ma richiedono grandi quantità di materiale campione e analisi dispendiose in termini di tempo. Con la tecnica della microcavità appena sviluppata, Goldsmith afferma:"Possiamo potenzialmente costruire uno strumento a scatola nera che ci fornisca la risposta in decine di secondi."
Il team, che comprendeva Lisa-Maria Needham, ex ricercatrice post-dottorato che ora è direttrice di laboratorio presso l'Università di Cambridge, ha depositato un brevetto per il dispositivo. Goldsmith afferma che il dispositivo e i metodi verranno perfezionati nel corso dei prossimi due anni. Nel frattempo, dice che lui e i suoi collaboratori stanno già pensando a quanti modi potrebbe essere utile.
"Siamo entusiasti di molte altre applicazioni nella spettroscopia", afferma. "Speriamo di poterlo utilizzare come trampolino di lancio verso altri modi per conoscere le molecole."
