Η πρώτη ζυγαριά που ζυγίζει μεμονωμένα μόρια

Το προς μέτρηση δείγμα ακουμπά το δονούμενη μεμβράνη στο κέντρο. Ολόκληρη η συσκευή έχει μήκος μερικά μικρόμετρα (Πηγή: Caltech / Scott Kelberg, Michael Roukes) 

Η πρώτη μηχανική συσκευή που μπορεί να μετρά το βάρος μεμονωμένων μορίων παρουσιάστηκε από ερευνητές του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια, περισσότερο γνωστού ως Caltech.

Η νέα τεχνολογία, εκτιμά η ερευνητική ομάδα, θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τη διάγνωση ασθενειών, για τη μελέτη των ιών και της δομής των κυττάρων, ή ακόμα και στη μέτρηση των νανοσωματιδίων της σωματιδιακής ρύπανσης.

Η συσκευή, μήκους μερικών μικρομέτρων (εκατομμυριοστών του μέτρου) φέρει στο κέντρο της ένα μικροσκοπικό, δονούμενο έλασμα. Όταν ένα μόριο ή άλλο σωματίδιο ακουμπήσει το έλασμα, οι ερευνητές μπορούν να υπολογίζουν το βάρος του από τη μεταβολή στη συχνότητα ταλάντωσης.

Στην ίδια προσέγγιση βασίζονταν και παλαιότερα «νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα» για τη μέτρηση μικρών σωματιδίων που ψεκάζονταν πάνω τους. Τα συστήματα αυτά παρουσίαζαν ένα σημαντικό μειονέκτημα, καθώς η μεταβολή στη συχνότητα ταλάντωσης εξαρτάται όχι μόνο από τη μάζα του δείγματος αλλά και από το συγκεκριμένο σημείο όπου έχει προσγειωθεί το δείγμα. Αυτό σήμαινε ότι οι χειριστές της συσκευής έπρεπε να ζυγίζουν εκατοντάδες δείγματα μέχρι να καταλήξουν στο πραγματικό βάρος.

Στη νέα νανοσυσκευή, οι ερευνητές ξεπέρασαν αυτό το εμπόδιο χρησιμοποιώντας ένα έλασμα που μπορεί να δονείται με πολλούς τρόπους: Σε μια πρώτη κατάσταση ταλάντωσης, ολόκληρο το δείγμα πηγαινοέρχεται δεξιά-αριστερά, με το κέντρο του να κινείται περισσότερο από ό,τι τα άκρα. Σε μια δεύτερη κατάσταση ταλάντωσης, το μισό έλασμα μετατοπίζεται προς τη μία πλευρά και το άλλο μισό προς την άλλη, σχηματίζοντας ένα κύμα σχήματος «S» που διατρέχει όλο το μήκος του ελάσματος.

Κάθε φορά που το έλασμα κινείται, εξηγούν οι εφευρέτες του συστήματος, η κίνησή του μπορεί να περιγραφεί ως συνδυασμός αυτών των καταστάσεων ταλάντωσης. Μετρώντας πώς οι συχνότητες ταλάντωσης μεταβάλλονται σε καθεμία από αυτές τις καταστάσεις ταλάντωσης, οι ερευνητές μπορούν να υπολογίσουν με τη μία τόσο τη θέση όσο και το βάρος του δείγματος.

«Μπορούμε να μετράμε τη μάζα ενός σωματιδίου τη στιγμή που συνδέεται στη ζυγαριά. Κανείς δεν το έχει πετύχει αυτό στο παρελθόν» υπερηφανεύεται ο Μάικλ Ρουκς, καθηγητής του Caltech και μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Η νέα ζυγαριά δοκιμάστηκε για τη μέτρηση του βάρους μιας κατηγορίας αντισωμάτων που ονομάζονται IgM και παίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος. Δεδομένου ότι ορισμένες μορφές καρκίνου μεταβάλλουν την αναλογία των διαφορετικών μορίων IgM, η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως διαγνωστικό εργαλείο.
Στο απώτερο μέλλον, η ζυγαριά θα μπορούσε να μελετήσει πώς οι πρωτεΐνες που παράγουν τα κύτταρα αλλάζουν βάρος με την προσθήκη άλλων μορίων, μια φυσιολογική διαδικασία που ονομάζεται μετα-μεταφραστική τροποποίηση.
Η συνήθης σημερινή μέθοδος για τη μέτρηση της μάζας μορίων είναι η φασματοσκοπία μάζας, στην οποία ένα δείγμα μερικών εκατομμυρίων μορίων ιονίζεται και αλληλεπιδρά με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Η μέθοδος αυτή είναι όμως ακατάλληλη για το ζύγισμα ιών ή μεγάλων μορίων όπως οι πρωτεΐνες, δεδομένου ότι τα δείγματα αυτά δύσκολα ιονίζονται.
Η νέα τεχνολογία, υποστηρίζουν οι ερευνητές του Caltech, θα επιτρέψουν τελικά την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς φασματογράφων μάζας.
Η έρευνα δημοσιεύεται στην online έκδοση της επιθεώρησης Nature Nanotechnology.


Πηγή: Newsroom ΔΟΛ
 http://physicswhynot.blogspot.gr/2012/08/weighing-molecules-one-at-time.html
 http://media.caltech.edu/press_releases/13546
 http://www.sciencedaily.com/releases/2012/08/120826143528.htm