Инновационный метод измерения свободной энергии в микроскопических и наноскопических системах

. Каков движущий фактор для движущихся двигателей и ячеек для жизни? Все это сводится к понятию «свободная энергия», которое обычно является энергией, которая может быть получена из любой системы для выполнения полезной работы. Любое отсутствие этой доступной энергии сделало бы машину бездействующей или приведет к возможной гибели живого организма.

На иллюстрации показаны две молекулы ДНК на нанофлюидной лестнице. Лестница ограничивает молекулы ДНК, создавая свободную энергию, которая выше в верхней части и ниже внизу. Молекулы ДНК в основном спускаются по лестнице, чтобы уменьшить их энергию и расслабиться, но иногда поднимаются по лестнице, поскольку микроскопические колебания увеличивают их энергию. Bottom: Изображения микроскопа показывают две молекулы ДНК в лестнице. Черепичные белые линии показывают свои траектории. Буквы обозначают разные изображения каждой молекулы, взятые с интервалом в 1 минуту. Вертикальные белые линии показывают положение краев ступеней. Молекула в правом верхнем углу в основном спускается по лестнице. Молекула внизу слева поднимается на два шага перед спуском. Релаксационная флуктуационная спектроскопия – это новый метод анализа таких флуктуирующих траекторий для измерения свободной энергии микроскопических систем. (Image credit: NIST)

В исследовании, проведенном в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) и Университете штата Мэриленд в Колледж-парке, инновационный способ измерения свободной энергии был разработан и продемонстрирован исследователями. По сравнению с более ранними методиками новая техника может быть применена к более широкому спектру наноскопических и микроскопических систем с использованием микроскопии для отслеживания и анализа флуктуирующего движения или конфигурации отдельных молекул или других мелких объектов.

Ученые полагались на свободную энергию для понимания сложных систем с момента разработки паровых двигателей. Эта концепция будет по-прежнему столь же фундаментальной, как мы разрабатываем и разрабатываем белки и другие одномолекулярные системы . Но измерения для этих небольших систем намного сложнее, поэтому подходы, подобные описанным нами, будут иметь фундаментальное значение .

Дэвид Росс, первый автор новой статьи по этому исследованию, NIST

Исследователи могут предсказать конкретные особенности, связанные с поведением живой системы или работой машины, путем измерения вариаций свободной энергии, когда система перемещает или изменяет свою внутреннюю структуру, и это может быть достигнуто без необходимости неуправляемой задачи отслеживая вход и выход всех атомов и молекул, которые составляют систему.

Ежедневный пример свободной энергии – это энергия в двигателе внутреннего сгорания автомобиля, где полная энергия равна сумме энергии ее движения и выделяемого тепла. Свободную энергию можно получить, вычитая тепловую энергию, которая рассеивается из системы.

Исследования детального поведения микроскопических систем – области живых клеток, малых молекул и нанотехнологий – показали, что измерение вариаций свободной энергии является более сложным по сравнению с более крупными масштабами.

В одном из методов исследователи использовали микроскопический датчик силы, чтобы натягивать молекулу ДНК или белка, которая могла бы функционировать как миниатюрная пружина при сжатии или растяжении для измерения изменений положения и силы, когда система расслабляется и высвобождает энергию. Тем не менее, микроскопическая система может быть нарушена приложением датчика силы, и было бы невозможно использовать датчик для измерения изменений свободной энергии, которые не влекут за собой прямого изменения положения.

Инновационный метод, позволяющий использовать оптическую микроскопию для отслеживания движения или конфигурации небольших систем, может быть использован для определения свободных энергий без необходимости установки датчика силы. Новое исследование могло бы стать надежным способом получить представление о внутренних свойствах широкого спектра микроскопических систем, таких как живые системы, такие как клетки или вирусы, для лучшего восприятия процессов, таких как химические реакции, потребление энергии и движение молекул, которые поддерживают функционирование живых систем.

« Мы окружены естественными системами, которые используют микроскопические колебания в свободной энергии, и теперь у нас есть способ лучше измерить, понять и, в конечном счете, манипулировать этими колебаниями сами », – заявила Элизабет Strychalski NIST, соавтор исследования.

. Анализ вполне подходит для исследования микроскопических систем, которые исходят из высоковозбужденного состояния с высокой энергией, далеки от равновесия с их окружением, а затем расслабляются назад к равновесию. Характеристики микроскопических систем могут значительно варьироваться, когда они расслабляются из-за случайного движения от непрерывного столкновения с окружающими молекулами. В новой методике, названной исследователями методом релаксационной флуктуации (ReFlucS), измерения этих флуктуаций во время релаксации используются для оценки свободной энергии.

. Наш подход показывает, что полезную информацию можно почерпнуть из наблюдения за случайными движениями системы, когда она оседает из высоковозбужденного, далеко-равновесного состояния.

Кристофер Яржинский, Университет Мэриленда, один из соавторов исследования

В качестве примера исследователи исследовали движение молекул ДНК, ограниченное нанометровым пространством, с формой лестницы. Чтобы ограничить верхние ступени, самые мелкие, молекулы ДНК должны быть сжаты более твердо по сравнению с молекулами, занимающими нижние этапы. Это приводит к увеличению свободной энергии для молекул в верхней части. Исследователи применили электрическое поле для управления молекулами ДНК на вершине лестницы. Затем они отключили электрическое поле и проанализировали движение молекул с помощью оптического микроскопа.

Было обнаружено, что в основном молекулы ДНК спускались по лестнице, когда они расслаблялись к равновесию, что приводило к уменьшению их свободной энергии. Тем не менее, микроскопические флуктуации побуждали молекулы ДНК иногда перемещаться назад по лестнице, что приводило к увеличению их свободной энергии. Колебательное движение молекул ДНК было исследовано командой, тем самым позволяя отображать профиль свободной энергии – количество свободной энергии в разных местах и ​​точки, где энергия является высокой и низкой – [19559008]

« ReFlucS предоставляет доступ к информации о свободной энергии, которая ранее была недоступна », – заявил Сэмюэл Ставис из NIST, еще одного соавтора исследования.

Видео микроскопа показывает две молекулы ДНК на нанофлюидной лестнице с зубчатыми белыми линиями, обозначающими их траектории. Вертикальные белые линии показывают положение краев ступеней. Молекула вверху справа в основном спускается по лестнице. Молекула внизу слева поднимается на два шага перед спуском. Релаксационная флуктуационная спектроскопия – это новый метод анализа таких флуктуирующих траекторий для измерения свободной энергии микроскопических систем. (Кредит: NIST)

Source link