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Una micrografía de barrido electrónico del dispositivo de pesaje de moléculas. Cuando una molécula aterriza en la parte en forma de puente en el centro, vibra a una frecuencia que indica su masa. Imagen vía Caltech / Scott Kelberg y Michael Roukes
¿Cuánto crees que pesa una molécula? Una molécula, que es un grupo único de átomos unidos (los dos hidrógenos y un oxígeno que forman H2O, por ejemplo) es casi incomprensiblemente pequeña. Un mol de agua, que es aproximadamente 0.64 onzas, tiene 602, 214, 078, 000, 000, 000, 000, 000 de moléculas. En resumen, las moléculas son muy, muy, muy pequeñas.
Hasta ahora, los científicos solo podían calcular la masa de grandes grupos de moléculas, ionizándolas (dándoles una carga eléctrica) y luego viendo cuán fuertemente interactuaban con un campo electromagnético, una técnica conocida como espectrometría de masas. Sin embargo, no tenían forma de medir la masa de una sola molécula.
Pero ayer, científicos de Caltech anunciaron la invención de un dispositivo que mide directamente la masa de una molécula individual. Como se describe en un artículo publicado en la revista Nature Nanotechnology, el pequeño aparato está construido alrededor de una estructura similar a un puente que vibra a una frecuencia específica basada en la masa de la molécula que se encuentra encima. Al seguir con precisión la frecuencia de vibración del puente, pueden determinar la masa exacta de la molécula.
"El avance crítico que hemos logrado en este trabajo actual es que ahora nos permite pesar las moléculas, una por una, a medida que entran", dice Michael Roukes, el investigador principal del laboratorio que produjo el papel. "Nadie ha hecho esto antes".
A simple vista, el dispositivo es esencialmente invisible: la escala en la parte inferior de la imagen del microscopio de arriba es de dos micras de largo, o dos millonésimas de metro. El puente vibratorio en su centro se conoce técnicamente como un resonador de sistema nanoelectromecánico y se ha desarrollado durante más de una década.
En un trabajo anterior, publicado en 2009, los investigadores mostraron que podían medir la masa de partículas rociadas sobre el aparato, pero con una limitación: no era lo suficientemente sensible como para medir solo una molécula a la vez. Debido a que la ubicación específica donde aterrizó una partícula afectó la frecuencia de vibración, y los científicos no tenían forma de saber exactamente dónde sería, tuvieron que aplicar varios cientos de partículas idénticas para encontrar un promedio, lo que reveló la masa.
El avance hace uso de una nueva visión de la forma en que cambia la frecuencia de vibración del puente cuando se rocía una molécula sobre él. Las vibraciones ocurren en dos modos simultáneamente: el primer modo es balanceo de lado a lado, mientras que el segundo modo ocurre en forma de una onda oscilante en forma de S que se mueve hacia arriba y hacia abajo del puente. Al analizar exactamente cómo cambia cada uno de estos modos cuando la molécula golpea el dispositivo, los investigadores descubrieron que podían determinar su posición y, por lo tanto, su masa exacta.
En el estudio, los investigadores demostraron la efectividad de la herramienta midiendo la masa de una molécula llamada inmunoglobulina M, o IgM, un anticuerpo producido por las células inmunes en la sangre y que puede existir en varias formas diferentes. Al pesar cada molécula, pudieron determinar exactamente qué tipo de IgM era, insinuando posibles aplicaciones médicas futuras. Un tipo de cáncer conocido como macroglobulinemia de Waldenström, por ejemplo, se refleja en una proporción particular de moléculas de IgM en la sangre de un paciente, por lo que los instrumentos futuros que se basen en este principio podrían monitorear la sangre para detectar desequilibrios de anticuerpos indicativos de cáncer.
Los científicos también imaginan este tipo de dispositivo como una ayuda para los investigadores biológicos que investigan la maquinaria molecular dentro de una célula. Dado que las enzimas que impulsan el funcionamiento de una célula dependen en gran medida de los enlaces moleculares en su superficie, pesar con precisión las proteínas en diferentes momentos y en diferentes tipos de células podría ayudarnos a comprender mejor los procesos celulares.
El equipo incluso predice que su invención podría tener aplicaciones comerciales cotidianas. Los monitores ambientales que rastrean la contaminación de nanopartículas en el aire, por ejemplo, podrían activarse mediante conjuntos de estos puentes vibrantes.
Es importante destacar que, según los científicos, el dispositivo se construyó utilizando métodos estándar de fabricación de semiconductores, el mismo que se usa en los circuitos eléctricos comunes, por lo que teóricamente se puede ampliar a aparatos que incluyen cientos o decenas de miles de sensores de una sola molécula que funcionan a la vez. "Con la incorporación de los dispositivos fabricados por técnicas para la integración a gran escala, estamos en camino de crear tales instrumentos", dice Roukes.
