Una estructura de ADN vista a través del microscopio electrónico 4D inventado en Caltech. Crédito:Zewail &Lorenz / Caltech
(Phys.org) —Todas las grandes estructuras, desde el Empire State Building hasta el Golden Gate Bridge, depende de propiedades mecánicas específicas para mantenerse fuerte y confiable. La rigidez, la rigidez de un material, es de particular importancia para mantener la funcionalidad robusta de todo, desde edificios colosales hasta las estructuras a nanoescala más pequeñas. En nanoestructuras biológicas, como redes de ADN, ha sido difícil medir esta rigidez, que es esencial para sus propiedades y funciones. Pero los científicos del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han desarrollado recientemente técnicas para visualizar el comportamiento de nanoestructuras biológicas tanto en el espacio como en el tiempo. permitiéndoles medir directamente la rigidez y mapear su variación a lo largo de la red.
El nuevo método se describe en la edición temprana del 4 de febrero de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).
"Este tipo de visualización nos está llevando a dominios de las ciencias biológicas que no exploramos antes, "dice el premio Nobel Ahmed Zewail, el profesor de química Linus Pauling y profesor de física en Caltech, quien fue coautor del artículo con Ulrich Lorenz, un becario postdoctoral en el laboratorio de Zewail. "Estamos proporcionando la metodología para descubrir, directamente, la rigidez de una red biológica que tiene propiedades a nanoescala".
Conocer las propiedades mecánicas de las estructuras del ADN es crucial para construir redes biológicas sólidas. entre otras aplicaciones. Según Zewail, este tipo de visualización de la biomecánica en el espacio y el tiempo debería ser aplicable al estudio de otros nanomateriales biológicos, incluidos los ensamblajes de proteínas anormales que subyacen a enfermedades como el Alzheimer y el Parkinson.
Zewail y Lorenz pudieron ver, por primera vez, el movimiento de nanoestructuras de ADN tanto en el espacio como en el tiempo utilizando el microscopio electrónico de cuatro dimensiones (4D) desarrollado en el Centro de Biología Física de Caltech para Ciencia y Tecnología Ultrarrápidas. El centro está dirigido por Zewail, quien lo creó en 2005 para avanzar en la comprensión de la física fundamental del comportamiento químico y biológico.
Usando los electrones en el microscopio, Se cortaron varios filamentos de ADN de la película de carbono (izquierda) para que un tridimensional, La estructura independiente se logró bajo el microscopio 4D (derecha).
"En naturaleza, el comportamiento de la materia está determinado por su estructura (la disposición de sus átomos en las tres dimensiones del espacio) y por cómo la estructura cambia con el tiempo, la cuarta dimensión, "explica Zewail." Si ves un caballo galopar en cámara lenta, puedes seguir el tiempo de los galopes, y puedes ver en detalle lo que, por ejemplo, cada pierna va haciendo con el tiempo. Cuando llegamos a la escala nanométrica, esa es una historia diferente:necesitamos mejorar la resolución espacial a mil millones de veces la del caballo para poder visualizar lo que está sucediendo ".
Zewail fue galardonado con el Premio Nobel de Química de 1999 por su desarrollo de la femtoquímica, que utiliza destellos láser ultracortos para observar las reacciones químicas fundamentales que ocurren en la escala de tiempo del femtosegundo (una millonésima de mil millonésima de segundo). Aunque la femtoquímica puede capturar átomos y moléculas en movimiento, giving the time dimension, it cannot concurrently show the dimensions of space, and thus the structure of the material. This is because it utilizes laser light with wavelengths that far exceed the dimension of a nanostructure, making it impossible to resolve and image nanoscale details in tiny physical structures such as DNA .
To overcome this major hurdle, the 4D electron microscope employs a stream of individual electrons that scatter off objects to produce an image. The electrons are accelerated to wavelengths of picometers, or trillionths of a meter, providing the capability for visualizing the structure in space with a resolution a thousand times higher than that of a nanostructure, and with a time resolution of femtoseconds or longer.
The experiments reported in PNAS began with a structure created by stretching DNA over a hole embedded in a thin carbon film. Using the electrons in the microscope, several DNA filaments were cut away from the carbon film so that a three-dimensional, free-standing structure was achieved under the 4D microscope.
Próximo, the scientists employed laser heat to excite oscillations in the DNA structure, which were imaged using the electron pulses as a function of time—the fourth dimension. By observing the frequency and amplitude of these oscillations, a direct measure of stiffness was made.
"It was surprising that we could do this with a complex network, " says Zewail. "And yet by cutting and probing, we could go into a selective area of the network and find out about its behavior and properties."
Using 4D electron microscopy, Zewail's group has begun to visualize protein assemblies called amyloids, which are believed to play a role in many neurodegenerative diseases, and they are continuing their investigation of the biomechanical properties of these networks. He says that this technique has the potential for broad applications not only to biological assemblies, but also in the materials science of nanostructures.
