Sobre la base de la creación del primer dispositivo mecánico que puede medir la masa de moléculas individuales, uno a la vez, un equipo de científicos de Caltech y sus colegas han creado nanodispositivos que también pueden revelar su forma. Dicha información es crucial cuando se trata de identificar grandes moléculas de proteínas o conjuntos complejos de moléculas de proteínas.

"Puede imaginarse que con grandes complejos de proteínas hechos de muchos diferentes, subunidades más pequeñas hay muchas formas de ensamblarlas. Estos pueden terminar teniendo masas bastante similares, mientras que en realidad son especies diferentes con funciones biológicas diferentes. Esto es especialmente cierto con las enzimas, proteínas que median las reacciones químicas en el cuerpo, y proteínas de membrana que controlan las interacciones de una célula con su entorno, "explica Michael Roukes, el profesor de física Robert M. Abbey, Física Aplicada, and Bioengineering at Caltech y coautor correspondiente de un artículo que describe la tecnología que apareció el 30 de marzo en la edición en línea de la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

Una de las bases de la revolución de la genómica ha sido la capacidad de replicar moléculas de ADN o ARN en masa utilizando la reacción en cadena de la polimerasa para crear los muchos millones de copias necesarias para la secuenciación y el análisis típicos. Sin embargo, la misma tecnología de producción en masa no funciona para copiar proteínas. Ahora, si desea identificar correctamente una proteína en particular, necesita mucho, por lo general millones de copias de solo la proteína de interés, con muy pocas otras proteínas extrañas como contaminantes. La masa promedio de esta población molecular se evalúa luego con una técnica llamada espectrometría de masas, en el que las moléculas se ionizan, de modo que alcanzan una carga eléctrica, y luego se les permite interactuar con un campo electromagnético. Al analizar esta interacción, los científicos pueden deducir la relación masa molecular / carga.

Pero la espectrometría de masas a menudo no puede discriminar diferencias sutiles pero cruciales en moléculas que tienen proporciones similares de masa a carga. "Con la espectrometría de masas actual, "explica Roukes, "Las moléculas grandes y los complejos moleculares se cortan primero en muchos trozos más pequeños, es decir, en fragmentos de moléculas más pequeños que los instrumentos existentes pueden manejar. Estos diferentes fragmentos se analizan por separado, y luego la bioinformática, que involucra simulaciones por computadora, se usa para reconstruir el rompecabezas. Pero este proceso de reensamblaje puede frustrarse si se mezclan piezas de diferentes complejos ".

Con sus dispositivos Roukes y sus colegas pueden medir la masa de una molécula intacta individual. Cada dispositivo, que tiene un tamaño de solo un par de millonésimas de metro o menos, consta de una estructura vibratoria llamada resonador del sistema nanoelectromecánico (NEMS). Cuando una partícula o molécula aterriza en el nanodispositivo, la masa agregada cambia la frecuencia a la que vibra la estructura, al igual que poner gotas de soldadura en una cuerda de guitarra cambiaría la frecuencia de su vibración y el tono resultante. Los cambios de frecuencia inducidos proporcionan información sobre la masa de la partícula. Pero ellos también, como se describe en el nuevo documento, se puede utilizar para determinar la distribución espacial tridimensional de la masa:es decir, la forma de la partícula.

"Una cuerda de guitarra no solo vibra a una frecuencia, Roukes dice. Hay armónicos de su tono fundamental, o los llamados modos vibracionales. Lo que distingue una cuerda de violín de una cuerda de guitarra son realmente las diferentes mezclas de estos diferentes armónicos del tono fundamental. Lo mismo se aplica aquí. Tenemos un montón de tonos diferentes que pueden excitarse simultáneamente en cada uno de nuestros nanodispositivos, y rastreamos muchos tonos diferentes en tiempo real. Resulta que cuando la molécula aterriza en diferentes orientaciones, esos armónicos se cambian de manera diferente. Entonces podemos utilizar la teoría de la imagen inercial que hemos desarrollado para reconstruir una imagen en el espacio de la forma de la molécula ".

"La nueva técnica descubre una capacidad previamente desconocida de los sensores mecánicos, "dice el profesor Mehmet Selim Hanay de la Universidad Bilkent en Ankara, Pavo, ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Roukes y co-primer autor del artículo. "Anteriormente identificamos moléculas, como el anticuerpo IgM, basándose únicamente en sus pesos moleculares. Ahora, al permitir que se deduzca la información del peso molecular y la forma para la misma molécula simultáneamente, la nueva técnica puede mejorar enormemente el proceso de identificación, y esto es importante tanto para la investigación básica como para la industria farmacéutica ".

En la actualidad, las estructuras moleculares se descifran mediante cristalografía de rayos X, una técnica a menudo laboriosa que implica aislar, purificación, y luego cristalizar moléculas, y luego evaluar su forma basándose en los patrones de difracción producidos cuando los rayos X interactúan con los átomos que juntos forman los cristales. Sin embargo, muchas moléculas biológicas complejas son difíciles, si no imposibles, de cristalizar. Y, incluso cuando se pueden cristalizar, la estructura molecular obtenida representa la molécula en estado cristalino, que puede ser muy diferente de la estructura de la molécula en su forma biológicamente activa.

"Puede imaginar situaciones en las que no sabe exactamente lo que está buscando, en las que se encuentra en modo de descubrimiento, y está tratando de averiguar la respuesta inmune del cuerpo a un patógeno en particular, por ejemplo, "Dice Roukes. En estos casos, la capacidad de llevar a cabo la detección de una sola molécula y de obtener tantos bits de información separados como sea posible sobre esa molécula individual mejora en gran medida las probabilidades de realizar una identificación única.

"Decimos que el cáncer comienza a menudo con una sola célula aberrante, y lo que eso significa es que, aunque podría ser una de una multiplicidad de células similares, hay algo único en la composición molecular de esa célula. Con esta técnica, potencialmente tenemos una nueva herramienta para descubrir qué tiene de especial, " él añade.

Hasta aquí, la nueva técnica ha sido validada utilizando partículas de tamaños y formas conocidas, como nanogotas de polímero. Roukes y sus colegas demuestran que con los nanodispositivos de última generación, el enfoque puede proporcionar una resolución a escala molecular, es decir, proporcionar la capacidad de ver los subcomponentes moleculares de un individuo, conjuntos de proteínas intactas. Los esfuerzos actuales del grupo ahora se centran en tales exploraciones.

Scott Kelber, un ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Roukes, es el otro co-primer autor del artículo, titulado "Imagen inercial con sistemas nanoelectromecánicos". Profesor John Sader de la Universidad de Melbourne, Australia, y un asociado visitante en física en Caltech, es el coautor correspondiente. Los coautores adicionales son Cathal D. O'Connell y Paul Mulvaney de la Universidad de Melbourne. El trabajo fue financiado por un premio Pioneer del Director de los Institutos Nacionales de Salud, una cátedra visitante distinguida del Caltech Kavli Nanocience Institute, la Fondation pour la Recherche et l'Enseignement Superieur de París, y el plan de subvenciones del Australian Research Council.