Al rallentatore estremo, una molecola di medicinale che entra in un recettore cellulare assomiglierebbe un po' a una capsula spaziale Soyuz che attracca alla Stazione Spaziale Internazionale. si fermerebbe qui, aumentare lì; ruotare, tradurre e poi, con un leggero sussulto, bloccare in posizione.

In tempo reale, grandi molecole interagiscono a velocità di nanosecondi, praticamente istantaneamente, rendendoli quasi impossibili da guardare. Ma gli scienziati sono un passo avanti nell'essere in grado di osservare le loro mosse, gioco per gioco, grazie alla nuova messa a punto di uno strumento su scala atomica da parte degli ingegneri del Georgia Institute of Technology.

Il progresso potrebbe un giorno aiutare i ricercatori a capire perché alcuni farmaci funzionano bene e altri meno, e misurare i dettagli sul funzionamento della vita alla radice.

Forze atomiche viste chiaramente

Il miglioramento funziona aggiungendo con attenzione rumore bianco elettronico a una sonda di rilevamento all'interno di un microscopio a forza atomica (AFM), che è già abbastanza sensibile da rilevare le forze esercitate dalle molecole interagenti, come recettori proteici e vitamine. Ma anche con quelle abilità su scala nanometrica, in modo lieve ma significativo, L'AFM può essere uno strumento contundente.

"C'è un'incapacità della sonda di campionare la parte più profonda dell'interazione, " ha detto il ricercatore Todd Sulchek, professore associato presso la School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "O vedi come queste molecole sono legate insieme o non legate. Era o nero o bianco, ma ora stiamo riuscendo a ottenere diverse sfumature di grigio."

Sulchek e i ricercatori laureati Ahmad Haider e Daniel Potter hanno pubblicato i risultati della loro soluzione ingegneristica sulla rivista the Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze Edizione anticipata la settimana del 21 novembre, 2016. La loro ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.

Cono che si muove a sbalzo

Le molecole hanno raggi traenti, seppur deboli. Si tirano l'un l'altro con una serie di deboli forze, come le interazioni di van der Waals, per lo più generati da polarità negative o positive sparse attorno alle molecole.

I microscopi a forza atomica misurano quelle che attraggono le energie attaccando una sonda a forma di cono su nanoscala vicino alle molecole per sentire le forze mentre interagiscono. Il cono è attaccato a un cantilever, un bastoncino flessibile, e lo fa oscillare, mentre le forze atomiche tirano il cono da una parte o dall'altra.

Il cantilever trasferisce il tremore al microscopio, che lo trasforma in un segnale utilizzabile allo stesso modo in cui la puntina di un giradischi trasferisce le vibrazioni da un disco per essere convertito in suono. Il segnale risultante illustra quello che viene chiamato un pozzo di energia. La parte superiore del pozzo è il punto in cui le forze adesive stanno per prendere piede, e il fondo è un punto in cui le molecole si incontrano.

Cadere nel pozzo di energia

Ma mentre le forze tirano il cono e le molecole si stanno osservando più vicine l'una all'altra, ad un certo punto, fondamentalmente si masturbano insieme, impedendo una misurazione dettagliata del gradiente di energia. Di conseguenza, quando il cono si avvicina alle molecole interagenti, i ricercatori vedono la parte superiore del pozzo di energia e la fine dell'interazione, ma i dettagli delle pareti del pozzo, particolarmente in profondità dove le molecole interagiscono più strettamente, invariabilmente eluderli.

"Il modo in cui ci siamo aggirati è stato, abbiamo semplicemente aggiunto del rumore elettronico in modo ben definito, e questo ha permesso alla sonda di sentire l'interazione quando era ancora relativamente lontana dalla superficie delle molecole, " disse Sulchek. La vibrazione elettronica, chiamata fluttuazione stocastica aumentata, ha anche diluito l'effetto delle forze adesive che altrimenti avrebbero strappato insieme il cantilever e le molecole.

"Quello che penso sia carino è che è controintuitivo, perché di solito cerchi di eliminare il rumore dal tuo sistema per ottenere misurazioni più accurate, ma stiamo aggiungendo rumore, " Ha detto Sulchek. Il miglioramento aggira il potenziale pregiudizio prodotto dall'aggiunta di rumore consentendo ai ricercatori di prelevare più campioni e quelli più lunghi, annullando efficacemente gli effetti del rumore nei dati complessivi.

Aggiungere un po' di rumore può sembrare semplice, ma ad Haider e Potter ci sono voluti due anni buoni per capire come poteva funzionare e per apportare noiose modifiche alla strumentazione.

Morsa batterica balletto grip

I ricercatori hanno utilizzato le interazioni tra il cantilever e un materiale chiamato mica per completare lo sviluppo del miglioramento. La mica ha forma e carica prevedibili, buono per il benchmarking:è molto fluido. "Mica è atomicamente piatta, " Disse Sulchek. "Quella e la grafite sono le due superfici più piatte che puoi costruire."

Ora, Il team di Sulchek sta testando il cantilever migliorato in uno scenario biologico:una proteina del batterio Streptomyces avidinii, che mangia la vitamina biotina con una vendetta. La proteina, streptavidina, si lega così strettamente alla biotina, che i ricercatori lo usano comunemente per studiare l'adesione molecolare.

"È la più forte biointerazione nota alla scienza, " ha detto Sulchek. L'impugnatura della morsa di Streptavidina costituisce un banco di prova ben standardizzato per il dispositivo appena messo a punto. "Si apre un lembo e la biotina si adatta come un guanto, " Disse Sulchek. "Vogliamo vedere se possiamo vedere come ciò accade e misurare bene la sua energia."

Cancro, AIDS, malattia autoimmune

Ciò avvicina Sulchek al suo sogno di uno strumento per potenziare la ricerca biomolecolare sperimentale, e potenzialmente portare a intuizioni utili alla medicina. "Voglio avere uno strumento per visualizzare questi passaggi intermedi, " ha detto. "Voglio uno strumento per vedere quegli stati di breve durata".

I ricercatori potrebbero utilizzare uno strumento così migliorato per comprendere meglio i disturbi autoimmuni, l'immunoterapia per curare il cancro o la capacità dell'HIV di contrastare una difesa anticorpale.

"Molti anticorpi hanno due siti di legame, e c'è una ragione per questo, ma non capiamo ancora perché, " Disse Sulchek. "Sappiamo che non vuoi che gli anticorpi interagiscano troppo forte." Quando lo fanno, può provocare malattie autoimmuni.

"Ci sono molte terapie che coinvolgono gli anticorpi, e alcuni funzionano bene; others don't work well, " Sulchek said. Antibodies may not attach optimally to HIV, Per esempio, because they're having a hard time wrapping around the virus.

Capturing the clumsy action in extreme slow motion could someday help biomedical researchers design a more effective antibody to further foil the virus.