Un voladizo mide las fuerzas atómicas que provienen de proteínas que interactúan bajo un microscopio de fuerza atómica. Los ingenieros de Georgia Tech han mejorado significativamente la sensibilidad del dispositivo al agregar ruido blanco electrónico, permitir que el dispositivo mida interacciones desde más lejos, evitando así tocar biomoléculas. Crédito:Georgia Tech / Haider, Alfarero
En cámara extremadamente lenta, una molécula de medicina que ingrese a un receptor celular se parecería un poco a una cápsula espacial Soyuz acoplada a la Estación Espacial Internacional. Frenaría aquí, impulso allí; girar, traducir y luego, con una ligera sacudida, bloquear en su lugar.
En tiempo real, las moléculas grandes interactúan a una velocidad de nanosegundos, prácticamente instantáneamente, haciéndolos casi imposibles de ver. Pero los científicos están un paso más cerca de poder observar sus movimientos, jugada por jugada, gracias al nuevo ajuste fino de un instrumento a escala atómica realizado por ingenieros del Instituto de Tecnología de Georgia.
El avance podría algún día ayudar a los investigadores a descubrir por qué algunos medicamentos funcionan bien y otros menos. y medir detalles sobre el funcionamiento de la vida en su raíz.
Fuerzas atómicas vistas claramente
La mejora funciona agregando cuidadosamente ruido blanco electrónico a una sonda de detección dentro de un microscopio de fuerza atómica (AFM), que ya es lo suficientemente sensible como para detectar las fuerzas ejercidas por las moléculas que interactúan, como receptores de proteínas y vitaminas. Pero incluso con esas habilidades a escala nanométrica, de una manera leve pero significativa, AFM puede ser un instrumento contundente.
"Hay una incapacidad de la sonda para muestrear la parte más profunda de la interacción, "dijo el investigador Todd Sulchek, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica de Georgia Tech. "O ves cómo estas moléculas están unidas o no unidas. Era blanco o negro, pero ahora logramos obtener distintos tonos de gris ".
Sulchek y los investigadores graduados Ahmad Haider y Daniel Potter publicaron los resultados de su solución de ingeniería en la revista The procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias Edición anticipada la semana del 21 de noviembre, 2016. Su investigación fue financiada por la National Science Foundation.
Cono moviendo un voladizo
Las moléculas tienen rayos tractores, aunque débiles. Se tiran el uno al otro con una serie de fuerzas débiles, como las interacciones de van der Waals, en su mayoría generados aunque las polaridades negativas o positivas se extienden alrededor de las moléculas.
A través del movimiento contrario a la intuición de agregar ruido blanco electrónico, Daniel Potter (izquierda) y Ahmad Raider (derecha) aumentaron significativamente la precisión de la microscopía de fuerza atómica para medir las paredes de los pozos de energía durante las interacciones moleculares. Su avance podría ayudar a los investigadores de biotecnología a observar los detalles finos de las interacciones biomoleculares. Crédito:Georgia Tech / Rob Felt
Los microscopios de fuerza atómica miden las energías que atraen al colocar una sonda en forma de cono a nanoescala cerca de las moléculas para sentir las fuerzas a medida que interactúan. El cono está unido a un voladizo, un palito flexible, y hace que se mueva, mientras las fuerzas atómicas tiran del cono de una u otra forma.
El voladizo transfiere el temblor al microscopio, lo que la convierte en una señal utilizable de la misma forma que la aguja de un tocadiscos transfiere las vibraciones de un disco para convertirlas en sonido. La señal resultante ilustra lo que se llama un pozo de energía. La parte superior del pozo es el punto donde las fuerzas adhesivas están a punto de afianzarse, y la parte inferior es un punto donde se encuentran las moléculas.
Cayendo en el pozo de energía
Pero a medida que las fuerzas jalan el cono y las moléculas que se observan más cerca unas de otras, en algún momento, Básicamente se sacuden juntos, impidiendo una medición detallada del gradiente de energía. Como resultado, a medida que el cono se acerca a las moléculas que interactúan, los investigadores ven la parte superior del pozo de energía y el final de la interacción, pero los detalles de las paredes del pozo, particularmente en el fondo donde las moléculas interactúan más estrechamente, invariablemente eludirlos.
"La forma en que lo solucionamos fue, simplemente agregamos algo de ruido electrónico de una manera bien definida, y eso permitió que la sonda sintiera la interacción cuando todavía estaba relativamente lejos de la superficie de las moléculas, "Dijo Sulchek. La vibración electrónica, llamada fluctuación estocástica mejorada, también diluyó el efecto de las fuerzas adhesivas que de otro modo hubieran arrebatado el voladizo y las moléculas.
"Lo que creo que es genial es que es contradictorio, porque normalmente intenta eliminar el ruido de su sistema para obtener mediciones más precisas, pero estamos agregando ruido Sulchek dijo. La mejora evita el sesgo potencial producido por la adición de ruido al permitir a los investigadores tomar más muestras y muestras más largas, anulando eficazmente los efectos del ruido en los datos generales.
Agregar algo de ruido puede parecer simple, pero a Haider y Potter les tomó unos buenos dos años descubrir cómo podía funcionar y hacer tediosos ajustes a la instrumentación.
Ballet de agarre de tornillo de banco bacteriano
Los investigadores utilizaron interacciones entre el voladizo y un material llamado mica para terminar de desarrollar la mejora. La mica tiene una forma y una carga predecibles, bueno para la evaluación comparativa, es muy sencillo. "La mica es atómicamente plana, "Dijo Sulchek." Eso y el grafito son las dos superficies más planas que se pueden construir ".
Todd Sulchek dirigió el esfuerzo de ingeniería para mejorar la microscopía de fuerza atómica agregando ruido blanco electrónico al voladizo que detecta interacciones moleculares. El avance tardó dos años en lograrse. Crédito:Georgia Tech / Rob Felt
Ahora, El equipo de Sulchek está probando el voladizo mejorado en un escenario biológico:una proteína de la bacteria Streptomyces avidinii, que se come la vitamina biotina con fuerza. La proteína estreptavidina, se une a la biotina con tanta fuerza, que los investigadores lo usan comúnmente para estudiar la adhesión molecular.
"Es la biointeracción más fuerte conocida por la ciencia, "Dijo Sulchek. El agarre del tornillo de banco de Streptavidin lo convierte en un caso de prueba bien estandarizado para el dispositivo recién afinado". Se abre una solapa y la biotina cabe en ella como un guante, ", Dijo Sulchek." Queremos ver si podemos ver cómo sucede eso y medir bien su energía ".
Cáncer, SIDA, enfermedad autoinmune
Eso acerca a Sulchek a su sueño de un instrumento para impulsar la investigación biomolecular experimental, y potencialmente conducir a conocimientos útiles para la medicina. "Quiero tener una herramienta para visualizar estos pasos intermedios, ", dijo." Quiero una herramienta para ver esos estados de corta duración ".
Los investigadores podrían utilizar una herramienta tan mejorada para comprender mejor los trastornos autoinmunes, inmunoterapia para tratar el cáncer o la capacidad del VIH para frustrar una defensa de anticuerpos.
"Muchos anticuerpos tienen dos sitios de unión, y hay una razón para eso pero aún no entendemos por qué ", Dijo Sulchek." Sabemos que no desea que los anticuerpos interactúen con demasiada fuerza ". Cuando lo hacen, it can result in autoimmune diseases.
"There's a lot of therapeutics involving antibodies, and some work well; others don't work well, " Sulchek said. Antibodies may not attach optimally to HIV, por ejemplo, because they're having a hard time wrapping around the virus.
Capturing the clumsy action in extreme slow motion could someday help biomedical researchers design a more effective antibody to further foil the virus.
