¿Qué impulsa a las células a vivir y a 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 vivo eventualmente moriría y una máquina permanecería inactiva.

Trabajando 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 microscopía para rastrear y analizar el movimiento fluctuante o la configuración de moléculas individuales 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 confiado en 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 una sola molécula". "señaló David Ross de NIST, primer autor de un nuevo artículo sobre este trabajo en Física de la naturaleza . "Pero las mediciones son mucho más difíciles para esos sistemas pequeños, por lo que enfoques como el nuevo que describimos serán de fundamental importancia, "añadió.

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 tarea imposible de hacer un seguimiento de las idas y venidas de todos los átomos y moléculas que componen el sistema.

Un ejemplo cotidiano de energía libre es 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 tirar de una proteína o molécula de ADN, que puede comportarse como un resorte en miniatura cuando se estira o se 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 simple cambio de posición.

El nuevo método que puede usar microscopía óptica para rastrear el movimiento o la configuración de sistemas pequeños, determina energías libres sin la conexión a un sensor de fuerza. El nuevo análisis podría resultar una forma poderosa de observar el funcionamiento interno de una amplia variedad de sistemas microscópicos, incluyendo sistemas vivos como virus o células para comprender mejor los procesos, como la ingesta de energía, reacciones químicas y el movimiento de moléculas que mantienen funcionando los sistemas vivos.

"Estamos rodeados de sistemas naturales que aprovechan las fluctuaciones microscópicas de la energía libre, y ahora tenemos una forma de medir mejor comprender, y, por último, manipular estas fluctuaciones nosotros mismos, "dijo la coautora Elizabeth Strychalski de NIST.

El análisis se presta a estudiar sistemas microscópicos que comienzan en un estado muy excitado con alta energía, lejos del equilibrio con su entorno, y luego relájese de nuevo hacia el equilibrio. Las propiedades de los sistemas microscópicos pueden fluctuar significativamente a medida que se relajan debido al movimiento aleatorio de los continuos empujones de las moléculas circundantes. El nuevo método que el equipo denomina espectroscopia de fluctuación de relajación (ReFlucS), utiliza medidas de esas fluctuaciones durante la relajación para determinar la energía libre.

"Nuestro enfoque muestra que se puede obtener información útil observando los movimientos aleatorios de un sistema a medida que se establece a partir de una estado lejos del equilibrio, ", dijo el coautor Christopher Jarzynski de la Universidad de Maryland.

Como sistema ejemplar, los científicos estudiaron el movimiento de las moléculas de ADN confinadas a un espacio de escala nanométrica con forma de escalera. Para meterse en los escalones superiores, cuales son los mas superficiales, las moléculas de ADN deben comprimirse con más fuerza que las moléculas que ocupan los escalones inferiores. Esto da como resultado una mayor energía libre para las moléculas en la parte superior. Aplicando un campo eléctrico, el equipo condujo las moléculas de ADN hasta la parte superior de la escalera. Luego, los investigadores apagaron el campo eléctrico y observaron el movimiento de las moléculas con un microscopio óptico.

La mayoría de las moléculas de ADN descendieron la escalera mientras se relajaban hacia el equilibrio, disminuyendo su energía libre. Sin embargo, debido a fluctuaciones microscópicas, las moléculas de ADN ocasionalmente volvían a subir la escalera, aumentando su energía libre. Los investigadores analizaron el movimiento fluctuante de las moléculas de ADN, permitiéndoles trazar el perfil de energía libre:cuánta energía libre hay en diferentes ubicaciones, y donde la energía es alta y baja.

"ReFlucS proporciona acceso a información sobre energía gratuita que antes era inaccesible, ", dijo el coautor Samuel Stavis de NIST.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.