Investigadores de la Universidad de Kanazawa informan en el Journal of Physical Chemistry Letters cómo simular imágenes de microscopía de fuerza atómica en 3D de sistemas fuera de equilibrio que involucran biomoléculas. El enfoque hace uso de una célebre ecuación de la termodinámica aplicable a situaciones de no equilibrio.

La microscopía de fuerza atómica tridimensional (3D-AFM) es una técnica utilizada para sondear la distribución de moléculas de solvente en las interfaces sólido-líquido. Inicialmente aplicado para estudiar situaciones en las que el disolvente es agua, el método ahora también se está utilizando para otras moléculas. Un desarrollo reciente es utilizar 3D-AFM para resolver la organización de biopolímeros como cromosomas o proteínas dentro de las células. Sin embargo, debido a la complejidad de tales sistemas, se necesitan simulaciones del proceso de obtención de imágenes 3D-AFM para ayudar con su interpretación. Los métodos de simulación desarrollados hasta ahora han asumido que el sistema probado está en equilibrio durante el ciclo de exploración AFM. Esto limita su validez a situaciones en las que las moléculas de disolvente se mueven mucho más rápido que la sonda de exploración. Ahora, Takeshi Fukuma de la Universidad de Kanazawa y sus colegas han desarrollado un enfoque de simulación 3D-AFM que funciona para sistemas que no están en equilibrio, aplicable a situaciones en las que el movimiento molecular ocurre en escalas de tiempo comparables o mayores que las del ciclo de sondeo de AFM.

El principio básico de AFM es hacer una punta muy pequeña, unida a un voladizo, para escanear la superficie de una muestra. La respuesta de la punta a las diferencias de altura en la superficie escaneada proporciona información estructural de la muestra. En 3D-AFM, la punta está hecha para penetrar la muestra, y la fuerza experimentada por la punta es el resultado de interacciones con moléculas cercanas (partes de ellas). Para una posición horizontal (xy) dada de la punta, la dependencia de la fuerza F en la posición vertical (z) de la punta a medida que penetra en la muestra se captura en una curva fuerza-distancia (F versus z). La combinación de todas las curvas de fuerza-distancia obtenidas durante el escaneo xy da como resultado la imagen 3D-AFM.

Fukuma y sus colegas consideraron la situación en la que una punta de AFM sondea un biopolímero globular y modelaron tanto la punta como la molécula como cuentas conectadas por resortes (2000 cuentas para la molécula, 50 cuentas para la punta). Calcularon las curvas fuerza-distancia utilizando la llamada igualdad de Jarzynski, una ecuación que relaciona la diferencia de energía libre entre dos estados de un sistema con el trabajo (proporcional a la fuerza) requerido para pasar de un estado al otro. Es importante destacar que la igualdad se mantiene para situaciones de no equilibrio.

Los investigadores pudieron demostrar que las simulaciones reproducían la estructura interna del biopolímero, siendo claramente observables algunas características de la fibra. También observaron cómo la velocidad de escaneo afecta los resultados de la simulación y descubrieron que existe un rango de velocidad óptimo para el escaneo vertical (z). Finalmente, Fukuma y sus colegas simularon imágenes 3D-AFM de fibras de citoesqueleto para las cuales existen imágenes 3D-AFM obtenidas experimentalmente, y descubrieron que las simulaciones concuerdan bien con el experimento. Por lo tanto, los científicos concluyeron que su método "es aplicable a varias fibras en células como el ADN, etc., cambiando parámetros como la rigidez, proporcionando una base teórica importante para tales mediciones experimentales". + Explora más

Asignación de características móviles en microscopía de fuerza atómica de alta velocidad