Científicos desarrollan la forma más sensible de observar moléculas individuales
El nuevo método sin etiquetas hace que las moléculas sean tan fáciles de detectar que es casi como si tuvieran etiquetas
Científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado el método más sensible hasta la fecha para detectar y perfilar una sola molécula, lo que abre una nueva herramienta con potencial para comprender mejor cómo interactúan entre sí los componentes básicos de la materia. El nuevo método podría tener implicaciones en campos tan variados como el descubrimiento de fármacos y el desarrollo de materiales avanzados.
El núcleo de este estudio es una microcavidad de fibra. Aquí se puede ver una pequeña depresión cóncava en la superficie de una fibra óptica. Los investigadores utilizaron una microcavidad con dos espejos cóncavos, pero esta imagen de una sola microcavidad cóncava facilita la visión de la configuración del espejo de la fibra.
Photo by Carlos Saavedra / UW–Madison
El logro técnico, detallado en la revista Nature, supone un avance significativo en el floreciente campo de la observación de moléculas individuales sin la ayuda de etiquetas fluorescentes. Aunque estas etiquetas son útiles en muchas aplicaciones, alteran las moléculas de forma que pueden ocultar cómo interactúan entre sí de forma natural. El nuevo método sin etiquetas hace que las moléculas sean tan fáciles de detectar que es casi como si tuvieran etiquetas.
"Estamos muy entusiasmados", afirma Randall Goldsmith, profesor de química de la UW-Madison que dirigió el trabajo. "Captar comportamientos a nivel de moléculas individuales es una forma asombrosamente informativa de entender sistemas complejos, y si puedes construir nuevas herramientas que concedan un mejor acceso a esa perspectiva, esas herramientas pueden ser realmente poderosas".
Aunque los investigadores pueden obtener información útil estudiando materiales y sistemas biológicos a mayor escala, Goldsmith afirma que observar el comportamiento de las moléculas individuales y las interacciones entre ellas es importante para contextualizar esa información, lo que a veces conduce a nuevos conocimientos.
"Cuando se observa cómo interactúan las naciones entre sí, todo se reduce a las interacciones entre individuos", afirma Goldsmith. "Ni se te ocurriría entender cómo interactúan entre sí los grupos de personas ignorando cómo interactúan entre sí los individuos".
Goldsmith lleva persiguiendo el encanto de las moléculas individuales desde que era investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford hace más de una década. Allí trabajó a las órdenes del 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 diminutos trozos de materia.
El método desarrollado por el equipo de la UW-Madison se basa en un dispositivo denominado microrresonador óptico o microcavidad. Como su nombre indica, la microcavidad es un espacio extremadamente diminuto donde la luz puede quedar atrapada tanto en el espacio como en el tiempo -al menos durante unos pocos nanosegundos- y donde puede interactuar con una molécula. Las microcavidades son más comunes en los laboratorios de física o ingeniería eléctrica, no en los de química. El historial de Goldsmith en la combinación de conceptos de campos científicos dispares fue reconocido en 2022 con el premio Polymath de Schmidt Futures.
Las microcavidades se construyen a partir de espejos increíblemente pequeños colocados justo encima de un cable de fibra óptica. Estos espejos de fibra óptica hacen rebotar la luz muchas veces y muy rápidamente dentro de la microcavidad.
Los investigadores dejan caer moléculas en la cavidad, dejan pasar la luz a través de ella y no sólo pueden detectar la presencia de la molécula, sino también obtener información sobre ella, como la velocidad a la que se mueve en el agua. Esta información puede utilizarse para determinar la forma o conformación de la molécula.
"La conformación a nivel molecular es muy importante, sobre todo para entender cómo interactúan entre sí las biomoléculas", explica Goldsmith. "Digamos que tenemos una proteína y un fármaco de molécula pequeña. Quieres ver si la proteína es fármaco, es decir, si el fármaco tiene 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 llevan mucho tiempo. Con la técnica de microcavidades recién desarrollada, dice Goldsmith, "podemos construir potencialmente una herramienta de caja negra que nos dé la respuesta en decenas de segundos".
El equipo, del que forma parte Lisa-Maria Needham, antigua investigadora postdoctoral que ahora es directora de laboratorio en la Universidad de Cambridge, ha presentado una patente para el dispositivo. Goldsmith afirma que el dispositivo y los métodos se perfeccionarán en los próximos dos años. Mientras tanto, dice que él y sus colaboradores ya están pensando en las muchas formas en que podría ser útil.
"Nos entusiasman muchas otras aplicaciones de la espectroscopia", afirma. "Esperamos poder utilizar esto como un trampolín hacia otras formas de aprender sobre las moléculas".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Lisa-Maria Needham, Carlos Saavedra, Julia K. Rasch, Daniel Sole-Barber, Beau S. Schweitzer, Alex J. Fairhall, Cecilia H. Vollbrecht, Sushu Wan, Yulia Podorova, Anders J. Bergsten, Brandon Mehlenbacher, Zhao Zhang, Lukas Tenbrake, Jovanna Saimi, Lucy C. Kneely, Jackson S. Kirkwood, Hannes Pfeifer, Edwin R. Chapman, Randall H. Goldsmith; "Label-free detection and profiling of individual solution-phase molecules"; Nature, Volume 629, 2024-5-8
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