Ver y pesar moléculas de una en una

Utilizando como punto de partida su creación del primer aparato mecánico capaz de medir la masa de moléculas individuales una a una, un equipo de científicos ha creado nanodispositivos que pueden asimismo revelar la forma de cada molécula individual. Dicha información es crucial cuando se intenta identificar moléculas complejas o ensamblajes de ellas.

Al estar hechas de muchas subunidades diferentes y más pequeñas, las grandes estructuras moleculares como por ejemplo los complejos de proteínas, se pueden ensamblar de muchas formas, sin que por la masa se pueda diferenciar entre ellas. En cambio, dado que tienen formas diferentes, realizan acciones  biológicas también diferentes. Esto resulta de especial importancia en el caso de las enzimas, que median en las reacciones químicas del cuerpo, y en el caso de las proteínas de las membranas, que controlan las interacciones de una célula con su entorno.

Con la forma elemental de su técnica innovadora, el equipo internacional de Michael Roukes, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena, Estados Unidos, puede medir la masa de una molécula individual. El dispositivo base típico, que solo tiene un tamaño de un par de millonésimas de metro o menos, consiste en una estructura vibradora llamada resonador NEMS (siglas del término inglés NanoElectroMechanical System, o sistema nanoelectromecánico). Cuando una partícula o molécula aterriza sobre el nanodetector, la masa añadida cambia la frecuencia a la que la estructura vibra. Los cambios inducidos en la frecuencia proporcionan información sobre la masa de la partícula. Pero también pueden ser usados para determinar la distribución espacial tridimensional de la masa: por ejemplo, la forma de la partícula, que es lo que ahora han logrado Roukes y sus colegas.

Sensor de masa basado en sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) multimodo; la ilustración principal muestra esquemáticamente una barra vibrando (1). Debajo se muestran “retratos” conceptuales de los primeros seis modos de vibración (1-6). Los colores indican una tensión de alta (rojo) a baja (azul). El recuadro muestra una micrografía electrónica coloreada de un resonador piezoeléctrico NEMS fabricado en el Instituto Kavli de Nanociencias del Caltech. (Imagen: M. Matheny, L.G. Villanueva, P. Hung, J. Li, M. Roukes / Caltech)

Al igual que la cuerda de una guitarra no vibra solo en una frecuencia, existe una gran cantidad de “tonos” diferentes que pueden ser generados de forma simultánea en el nanodetector, y eso permite captar muchos de ellos en tiempo real. Resulta que cuando la molécula presenta orientaciones distintas, sus armónicos son cambiados de manera diferente. Es posible entonces reconstruir una imagen de la forma de la molécula.

En la actualidad, las estructuras moleculares son descifradas mediante cristalografía de rayos-X, una técnica a menudo laboriosa que implica aislar, purificar y después cristalizar moléculas, para evaluar finalmente su forma con arreglo a 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 cuando no imposibles de cristalizar. E incluso cuando pueden serlo, la estructura molecular obtenida representa la molécula en el estado cristalino, que puede ser muy diferente de la estructura de la molécula en su forma biológicamente activa.