Los científicos encuentran la forma más sensible de observar moléculas individuales

Científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado el método más sensible hasta la fecha para la detección y elaboración de perfiles de moléculas individuales.

Este avance tiene el potencial de mejorar significativamente nuestra comprensión de cómo interactúan entre sí los componentes básicos de la materia.

La nueva técnica podría impactar campos que van desde el descubrimiento de fármacos hasta el desarrollo de materiales avanzados.

Los detalles de este logro se publicaron este mes en la revista Nature. El nuevo método representa un avance importante en la observación de moléculas individuales sin necesidad de etiquetas fluorescentes.

Aunque las etiquetas fluorescentes son útiles en muchas aplicaciones, pueden alterar las moléculas de manera que oscurecen sus interacciones naturales. Este nuevo método sin etiquetas hace que la detección de moléculas sea casi tan fácil como si tuvieran etiquetas.

«Estamos muy entusiasmados con esto», dice Randall Goldsmith, profesor de química en la Universidad de Washington en Madison, quien dirigió el trabajo.

«Capturar comportamientos a nivel de moléculas individuales es una forma asombrosamente informativa de comprender sistemas complejos, y si se pueden construir nuevas herramientas que brinden un mejor acceso a esa perspectiva, esas herramientas pueden ser realmente beneficiosas para su salud».

Si bien los investigadores pueden aprender mucho estudiando materiales y sistemas biológicos a escalas mayores, Goldsmith enfatiza que observar el comportamiento y las interacciones de moléculas individuales es crucial para obtener conocimientos más profundos.

Lo compara con comprender cómo interactúan las naciones observando las interacciones entre personas individuales.

Goldsmith ha estado fascinado por las moléculas individuales desde su investigación postdoctoral en la Universidad de Stanford hace más de una década. Trabajó con el químico WE Moerner, quien ganó el Premio Nobel de Química en 2014 por desarrollar el primer método para observar una sola molécula utilizando luz. Desde entonces, investigadores de todo el mundo han estado perfeccionando formas de observar estas pequeñas partículas.

El método desarrollado por el equipo de UW-Madison utiliza un dispositivo llamado microresonador óptico o microcavidad. Esta microcavidad es un espacio diminuto donde la luz puede quedar atrapada durante unos nanosegundos, permitiéndole interactuar con una molécula. Las microcavidades se encuentran normalmente en laboratorios de física o ingeniería eléctrica, no en laboratorios de química. El enfoque innovador de Goldsmith de combinar ideas de diferentes campos científicos le valió el premio Polymath de Schmidt Futures en 2022.

Las microcavidades están construidas a partir de espejos extremadamente pequeños colocados sobre un cable de fibra óptica. Estos espejos hacen rebotar la luz rápidamente hacia adelante y hacia atrás en la microcavidad.

Al permitir que las moléculas entren en la cavidad y pasen luz a través de ella, los investigadores pueden detectar las moléculas y aprender sobre sus propiedades, como qué tan rápido se mueven en el agua y su forma o conformación.

Comprender la conformación de una molécula es crucial, especialmente para estudiar las interacciones de biomoléculas.

Por ejemplo, al evaluar si una proteína puede interactuar con un fármaco de molécula pequeña, los investigadores pueden ver si el fármaco provoca un cambio conformacional en la proteína.

Otros métodos para estudiar esto requieren grandes cantidades de material y análisis que requieren mucho tiempo, pero la nueva técnica de microcavidades puede proporcionar respuestas en segundos.

El equipo, que incluía a Lisa-Maria Needham, ex investigadora postdoctoral que ahora trabaja en la Universidad de Cambridge, presentó una patente para el dispositivo.

Goldsmith afirma que el dispositivo y los métodos se perfeccionarán en los próximos años y que el equipo ya está explorando varias aplicaciones en espectroscopia.

«Estamos entusiasmados con muchas otras aplicaciones de la espectroscopia», afirma Goldsmith. «Esperamos poder utilizar esto como un trampolín hacia otras formas de aprender sobre las moléculas».