Podstawową informacją niezbędną do scharakteryzowania każdej substancji jest jej masa cząsteczkowa. Ciężar pojedynczej molekuły można mierzyć na wiele sposobów, jednak pomiary takie są zawsze przeprowadzane w sposób pośredni, tzn. szacują masę danego związku na podstawie innych jego właściwości, np. ładunku elektrycznego (spektroskopia mas), rozmiaru (filtracja molekularna), temperatury wrzenia roztworów (ebuliometria).

Bezpośrednie ważenie pojedynczych molekuł stało się możliwe dopiero dzięki najnowszemu rozwiązaniu zaproponowanemu przez fizyków z California Institute of Technology (Caltech, USA) współpracujących z Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, Laboratoire d'électronique des technologies de l'information (CEA-LETI) (Francja).

Zaprojektowane przez nich urządzenie swoim wyglądem przypomina wibrujący most, a jego rozmiar jest na tyle mały, że na częstotliwość wykonywanych oscylacji wpływa nawet jedna, spadająca na niego cząsteczka. To właśnie powstające w ten sposób zmiany wykorzystano w trakcie przeprowadzania precyzyjnych pomiarów masy.

Pierwszy projekt tego typu został zaproponowany już w 2009 roku przez profesora Michaela Roukesa i jego współpracowników z Caltech. Prototyp ten, nazwany nanoelektromechanicznym rezonatorem (ang. nanoelectromechanical system rezonator) miał jednak bardzo poważną wadę, a mianowicie, na uzyskiwane przez niego wyniki wpływała nie tylko waga molekuły, ale również i jej położenie. Wiązało się to z koniecznością wykonywania setek różnych powtórzeń i dopiero na ich podstawie można było oszacować średnią masę badanej substancji.

Niedogodność tą udało się zniwelować dzięki wprowadzonym ostatnio ulepszeniom. Naukowcy zaobserwowali bowiem, że ruchy mostu składają się następujących po sobie faz.Przykładowo może się on kołysać z boku na bok tak, że najbardziej ruchliwa pozostaje jego środkowa część. Obie jego połowy mogą się też bujać w przeciwnych kierunkach w sposób przypominający falę o kształcie litery „S”.

Kolejność tych ruchów zmienia się w zależności od miejsca położenia ciężaru, a obserwując ich częstotliwość można określić nie tylko pozycję, ale również i masę badanej molekuły. Pomiary takie są bardzo dokładne i pozwalają uzyskać wysoce powtarzalne wyniki nawet w przypadku stosunkowo dużych wirusów i biopolimerów, takich jak wielocukry, łańcuchy nukleotydowe oraz białka biorące udział w praktycznie wszystkich ważnych procesach wewnątrzkomórkowych.

Sposób działania nowego urządzenia po raz pierwszy zaprezentowano ważąc pojedynczą immunoglobulinę M (IgM), czyli jeden z typów przeciwciał produkowanych przez komórki odpornościowe i wykorzystywanych podczas diagnozowania nowotworu zwanego Makroglobulinemia Waldenströma.

Instrumenty tego typu będą mogły zatem znaleźć zastosowanie nie tylko podczas przeprowadzania badań nad molekularną maszynerią komórkową ale również i podczas monitorowania systemu immunologicznego pacjenta oraz diagnozowania różnych chorób immunologicznych.

Ogromną zaletą tego typu urządzeń jest również to, że do ich produkcji wykorzystuje się standardowe techniki produkcji półprzewodników, co pozwoli na ich otrzymywanie w dużych ilościach za przystępną cenę.

Autor: Anna Kurcek

Materiał źródłowy:

Weighing Molecules One at a Timehttp://media.caltech.edu/