Científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado el método más sensible hasta el momento para detectar y perfilar una sola molécula, desbloqueando una nueva herramienta que tiene potencial para comprender mejor cómo interactúan entre sí los componentes básicos de la materia. El nuevo método podría tener implicaciones para actividades tan variadas como el descubrimiento de fármacos y el desarrollo de materiales avanzados.
El logro técnico, detallado este mes en la revista Nature , marca un avance significativo en el floreciente campo de la observación de moléculas individuales sin la ayuda de etiquetas fluorescentes.
Si bien estas etiquetas son útiles en muchas aplicaciones, alteran las moléculas de maneras que pueden oscurecer cómo interactúan naturalmente entre sí. El nuevo método sin etiquetas hace que las moléculas sean tan fáciles de detectar que es casi como si tuvieran etiquetas.
"Estamos muy entusiasmados con esto", dice Randall Goldsmith, profesor de química de la Universidad de Washington en Madison que dirigió el trabajo. "Capturar comportamientos a nivel de moléculas individuales es una forma asombrosamente informativa de comprender sistemas complejos, y si se pueden crear nuevas herramientas que brinden un mejor acceso a esa perspectiva, esas herramientas pueden ser realmente poderosas".
Si bien los investigadores pueden obtener información útil estudiando materiales y sistemas biológicos a escalas más grandes, Goldsmith dice que observar el comportamiento y las interacciones entre moléculas individuales es importante para contextualizar esa información, lo que a veces conduce a nuevos conocimientos.
"Cuando ves cómo interactúan las naciones entre sí, todo se reduce a interacciones entre individuos", dice Goldsmith. "Ni siquiera se te ocurriría entender cómo interactúan los grupos de personas entre sí e ignorar cómo interactúan los individuos entre sí".
Goldsmith ha estado persiguiendo el atractivo de las moléculas individuales desde que era investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford hace más de una década. Allí trabajó con el químico W.E. Moerner, que recibió el Premio Nobel de Química en 2014 por desarrollar el primer método de utilizar la luz para observar una sola molécula.
Desde el éxito inicial de Moerner, investigadores de todo el mundo han ideado y perfeccionado nuevas formas de observar estos pequeños fragmentos de materia.
El método que desarrolló el equipo de UW-Madison se basa en un dispositivo llamado microresonador óptico o microcavidad. Como sugiere su nombre, la microcavidad es un espacio extremadamente pequeño donde la luz puede quedar atrapada tanto en el espacio como en el tiempo (al menos durante unos nanosegundos) donde puede interactuar con una molécula.
Las microcavidades se encuentran más comúnmente en laboratorios de física o ingeniería eléctrica, no en laboratorios de química. La historia de Goldsmith de combinar conceptos de campos científicos dispares fue reconocida en 2022 con un premio Polymath de Schmidt Futures.
Las microcavidades se construyen a partir de espejos increíblemente pequeños colocados encima de un cable de fibra óptica. Estos espejos de fibra óptica hacen rebotar la luz hacia adelante y hacia atrás muchas veces muy rápidamente dentro de la microcavidad.
Los investigadores dejan que las moléculas caigan dentro de la cavidad, dejan que la luz la atraviese y no sólo pueden detectar la presencia de la molécula, sino también obtener información sobre ella, como la velocidad a la que se mueve a través del agua. Esta información se puede utilizar para determinar la forma o conformación de la molécula.
"La conformación a nivel molecular es increíblemente importante, particularmente para pensar en cómo interactúan las biomoléculas entre sí", dice Goldsmith.
"Digamos que tienes una proteína y un fármaco de molécula pequeña. Quieres ver si la proteína es farmacológica, es decir, '¿Tiene el fármaco algún tipo de interacción importante con la proteína?' Una forma de verlo es si introduce un cambio conformacional."
Hay otras formas de hacerlo, pero requieren grandes cantidades de material de muestra y análisis que requieren mucho tiempo. Con la técnica de microcavidad recientemente desarrollada, dice Goldsmith, "potencialmente podemos construir una herramienta de caja negra que nos dé la respuesta en decenas de segundos".
El equipo, que incluía a Lisa-Maria Needham, ex investigadora postdoctoral que ahora es directora de laboratorio en la Universidad de Cambridge, presentó una patente para el dispositivo. Goldsmith dice que el dispositivo y los métodos se perfeccionarán en los próximos años. Mientras tanto, dice que él y sus colaboradores ya están pensando en las muchas formas en que podría resultar útil.
"Estamos entusiasmados con muchas otras aplicaciones de la espectroscopia", afirma. "Esperamos poder utilizar esto como trampolín hacia otras formas de aprender sobre las moléculas".
