Din această poveste
[×] ÎNCHIS
VIDEO: 36 de unități de măsură neobișnuite - mental_floss pe YouTube (Ep.10)
Micrografie cu scanare electronică a dispozitivului de cântărire a moleculelor. Când o moleculă aterizează pe partea asemănătoare podului în centru, vibrează la o frecvență care indică masa ei. Imagine via Caltech / Scott Kelberg și Michael Roukes
Cât crezi că cântărește o moleculă? O moleculă, care este un singur grup de atomi legați - cei doi hidrogeni și un oxigen care formează H2O, de exemplu - este aproape de neînțeles. O molă de apă, care este de aproximativ 0, 64 uncii, are 602, 214, 078, 000, 000, 000, 000, 000 molecule. Pe scurt, moleculele sunt, într-adevăr, foarte mici.
Până acum, oamenii de știință nu puteau calcula decât masa grupurilor mari de molecule, ionizându-le (oferindu-le o sarcină electrică) și văzând apoi cât de puternic au interacționat cu un câmp electromagnetic, tehnică cunoscută sub numele de spectrometrie de masă. Nu aveau însă nicio măsură de a măsura masa unei singure molecule.
Ieri, oamenii de știință de la Caltech au anunțat invenția unui dispozitiv care măsoară direct masa unei molecule individuale. După cum este descris într-o lucrare publicată în revista Nature Nanotechnology, aparatul minuscul este construit în jurul unei structuri asemănătoare punții care vibrează la o frecvență specifică bazată pe masa moleculei deasupra ei. Urmărind cu precizie frecvența vibrantă a podului, ei pot determina masa exactă a moleculei.
„Avansul critic pe care l-am făcut în această lucrare curentă este faptul că acum ne permite să cântărim molecule - una câte una - pe măsură ce intră”, spune Michael Roukes, principalul investigator al laboratorului care a produs hârtia. Nimeni nu a mai făcut asta până acum.
La ochiul liber, dispozitivul este în esență invizibil - scara din partea de jos a imaginii microscopului de mai sus are o lungime de doi microni sau două milioane de metri. Podul vibrant din centrul său este cunoscut din punct de vedere tehnic ca rezonator de sistem nanoelectromecanic și este în curs de dezvoltare de peste un deceniu.
În lucrările anterioare, publicate în 2009, cercetătorii au arătat că pot măsura masa particulelor pulverizate pe aparat, cu o singură limitare: nu era suficient de sensibil pentru a măsura doar o moleculă simultan. Deoarece locația specifică unde a aterizat o particulă a afectat frecvența vibrantă, iar oamenii de știință nu aveau de unde să știe exact unde va fi aceasta, au fost nevoiți să aplice câteva sute de particule identice pentru a găsi o medie, ceea ce a relevat masa.
Avansul utilizează o nouă perspectivă asupra modului în care frecvența vibrantă a podului se schimbă atunci când o moleculă este pulverizată pe ea. Vibrațiile apar simultan în două moduri: primul mod este balansarea laterală, în timp ce al doilea mod are loc sub forma unei unde oscilante în formă de S care se deplasează în sus și în jos pe pod. Analizând exact modul în care fiecare dintre aceste moduri se schimbă atunci când molecula lovește dispozitivul, cercetătorii au descoperit că ar putea determina poziția acesteia și, astfel, masa exactă a acesteia.
În studiu, cercetătorii au demonstrat eficacitatea instrumentului prin măsurarea masei unei molecule numită imunoglobulină M sau IgM, un anticorp produs de celulele imune din sânge și care poate exista în mai multe forme diferite. Prin cântărirea fiecărei molecule, aceștia au fost capabili să determine exact ce tip de IgM a fost, indicând potențialele aplicații medicale viitoare. Un fel de cancer cunoscut sub denumirea de macroglobulinemie Waldenström, de exemplu, este reflectat de un raport particular dintre moleculele IgM din sângele pacientului, astfel încât instrumentele viitoare care se bazează pe acest principiu ar putea monitoriza sângele pentru a detecta dezechilibrele anticorpului indicative pentru cancer.
Oamenii de știință preconizează, de asemenea, acest tip de dispozitiv ca un ajutor pentru cercetătorii biologici care se uită în mașinile moleculare din interiorul unei celule. Deoarece enzimele care conduc funcționarea unei celule depind foarte mult de atașările moleculare de pe suprafața lor, cântărirea precisă a proteinelor în diferite momente și în diferite tipuri de celule ne poate ajuta să înțelegem mai bine procesele celulare.
Echipa prezice chiar că invenția lor ar putea avea aplicații comerciale de zi cu zi. Monitoarele de mediu care urmăresc poluarea cu nanoparticule în aer, de exemplu, ar putea fi activate de către tablele acestor punți vibrante.
Este important să spună oamenii de știință că dispozitivul a fost construit folosind metode standard de fabricare a semiconductorilor - același utilizat în circuitele electrice obișnuite - astfel încât, teoretic, poate fi amplasat la aparate care includ sute sau zeci de mii de senzori cu o singură moleculă care operează simultan. „Cu încorporarea dispozitivelor realizate prin tehnici de integrare la scară largă, suntem pe cale să creăm astfel de instrumente”, spune Roukes.
