¿Qué impulsa las células a vivir y los motores a moverse? Todo se reduce a una cantidad que los científicos llaman "energía libre", esencialmente la energía que se puede extraer de cualquier sistema para realizar un trabajo útil. Sin esta energía disponible, un organismo vivoeventualmente moriría y una máquina estaría inactiva.
En el trabajo en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Maryland en College Park, los investigadores han ideado y demostrado una nueva forma de medir la energía libre. Mediante el uso de la microscopía para rastrear y analizar el movimiento fluctuante o la configuración demoléculas únicas u otros objetos pequeños, el nuevo método se puede aplicar a una mayor variedad de sistemas microscópicos y nanoscópicos que las técnicas anteriores.
"Los científicos han dependido de la energía libre para comprender los sistemas complejos desde el desarrollo de las máquinas de vapor. Este concepto seguirá siendo tan fundamental como diseñamos y diseñamos proteínas y otros sistemas de molécula única", señaló David Ross, primer autor de NISTde un nuevo documento el enlace es externo sobre este trabajo en Física de la naturaleza . "Pero las mediciones son mucho más difíciles para esos sistemas pequeños, por lo que los enfoques como el nuevo que describimos serán de fundamental importancia", agregó.
Al medir los cambios en la energía libre a medida que un sistema se mueve o altera su estructura interna, los científicos pueden predecir ciertos aspectos de cómo se comportará un sistema vivo o cómo funcionará una máquina, sin la imposible tarea de realizar un seguimiento de las idas y venidasde todos los átomos y moléculas que componen el sistema.
Un ejemplo cotidiano de energía libre se encuentra en el motor de combustión interna de un automóvil, con una energía total igual a la energía de su movimiento más el calor que genera. Restando la energía térmica, que se disipa del sistema, deja la energía libre.
En un método, los científicos usan un sensor de fuerza microscópico para jalar una proteína o molécula de ADN, que puede comportarse como un resorte en miniatura cuando se estira o comprime, para medir los cambios en la fuerza y la posición a medida que un sistema se relaja y libera energía. Sin embargo,La conexión del sensor de fuerza puede perturbar el sistema microscópico y no se puede utilizar para medir cambios en la energía libre que no impliquen un cambio directo de posición.
El nuevo método, que puede utilizar la microscopía óptica para rastrear el movimiento o la configuración de sistemas pequeños, determina las energías libres sin la conexión a un sensor de fuerza. El nuevo análisis podría demostrar una forma poderosa de observar el funcionamiento interno de una amplia variedadde sistemas microscópicos, incluidos los sistemas vivos como los virus o las células para comprender mejor los procesos, como la ingesta de energía, las reacciones químicas y el movimiento de las moléculas que mantienen el funcionamiento de los sistemas vivos.
"Estamos rodeados de sistemas naturales que aprovechan las fluctuaciones microscópicas en la energía libre, y ahora tenemos una manera de medir, comprender y, en última instancia, manipular estas fluctuaciones por nosotros mismos", dijo la coautora Elizabeth Strychalski de NIST.
El análisis se presta para estudiar sistemas microscópicos que comienzan en un estado altamente excitado con alta energía, lejos del equilibrio con su entorno, y luego se relajan hacia el equilibrio. Las propiedades de los sistemas microscópicos pueden fluctuar significativamente a medida que se relajan debido al azarmovimiento del empuje continuo por las moléculas circundantes. El nuevo método, al que el equipo se refiere como espectroscopía de fluctuación de relajación ReFlucS, utiliza mediciones de esas fluctuaciones durante la relajación para determinar la energía libre.
"Nuestro enfoque muestra que se puede obtener información útil al observar los movimientos aleatorios de un sistema a medida que se establece a partir de un estado altamente excitado y lejos del equilibrio", dijo el coautor Christopher Jarzynski de la Universidad de Maryland.
Como un sistema ejemplar, los científicos estudiaron el movimiento de las moléculas de ADN confinadas a un espacio a escala nanométrica con forma de escalera. Para apretar en los escalones superiores, que son los menos profundos, las moléculas de ADN deben comprimirse más fuertemente que las moléculas queocupa los escalones inferiores. Esto da como resultado una mayor energía libre para las moléculas en la parte superior. Al aplicar un campo eléctrico, el equipo condujo las moléculas de ADN hacia la parte superior de la escalera. Luego, los investigadores apagaron el campo eléctrico y observaron el movimientode las moléculas con un microscopio óptico.
Las moléculas de ADN descendieron principalmente la escalera mientras se relajaban hacia el equilibrio, disminuyendo su energía libre. Sin embargo, debido a las fluctuaciones microscópicas, las moléculas de ADN ocasionalmente retrocedieron por la escalera, aumentando su energía libre. Los investigadores analizaron el movimiento fluctuante de la escalera.Moléculas de ADN, lo que les permite trazar el perfil de energía libre: cuánta energía libre hay en diferentes lugares y dónde la energía es alta y baja.
"ReFlucS proporciona acceso a información sobre energía libre que antes era inaccesible", dijo el coautor Samuel Stavis de NIST.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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