Pesquisadores da Universidade de Kanazawa relatam no Journal of Physical Chemistry Letters como simular imagens de microscopia de força atômica 3D de sistemas fora de equilíbrio envolvendo biomoléculas. A abordagem faz uso de uma célebre equação da termodinâmica aplicável a situações de não equilíbrio.
A microscopia de força atômica tridimensional (3D-AFM) é uma técnica usada para sondar a distribuição de moléculas de solvente em interfaces sólido-líquido. Inicialmente aplicado para estudar situações em que o solvente é a água, o método agora está sendo utilizado também para outras moléculas. Um desenvolvimento recente é usar 3D-AFM para resolver a organização de biopolímeros, como cromossomos ou proteínas dentro das células. Devido à complexidade de tais sistemas, no entanto, são necessárias simulações do processo de imagem 3D-AFM para auxiliar na sua interpretação. Os métodos de simulação desenvolvidos até agora assumiram que o sistema testado está em equilíbrio durante o ciclo de varredura do AFM. Isso limita sua validade a situações em que as moléculas do solvente se movem muito mais rápido do que a sonda de varredura. Agora, Takeshi Fukuma da Universidade de Kanazawa e colegas desenvolveram uma abordagem de simulação 3D-AFM que funciona para sistemas não em equilíbrio, aplicável a situações em que o movimento molecular acontece em escalas de tempo comparáveis ​​ou maiores que a do ciclo de sondagem AFM.

O princípio básico do AFM é fazer uma ponta muito pequena, presa a um cantilever, para escanear a superfície de uma amostra. A resposta da ponta às diferenças de altura na superfície digitalizada fornece informações estruturais da amostra. No 3D-AFM, a ponta é feita para penetrar na amostra e a força experimentada pela ponta é o resultado de interações com moléculas próximas (partes de). Para uma dada posição horizontal (xy) da ponta, a dependência da força F na posição vertical (z) da ponta conforme ela penetra na amostra é capturada em uma curva força-distância (F versus z). A combinação de todas as curvas força-distância obtidas durante a varredura xy fornece a imagem 3D-AFM.

Fukuma e colegas consideraram a situação em que uma ponta AFM sonda um biopolímero globular e modelaram tanto a ponta quanto a molécula como contas conectadas por molas (2.000 contas para a molécula, 50 contas para a ponta). Eles calcularam as curvas força-distância usando a chamada igualdade de Jarzynski, uma equação que relaciona a diferença de energia livre entre dois estados de um sistema com o trabalho (proporcional à força) necessário para ir de um estado para o outro. É importante ressaltar que a igualdade vale para situações de não equilíbrio.

Os pesquisadores conseguiram mostrar que as simulações reproduziam a estrutura interna do biopolímero, com algumas características da fibra sendo claramente observáveis. Eles também analisaram como a velocidade de varredura afeta os resultados da simulação e descobriram que existe uma faixa de velocidade ideal para a varredura vertical (z). Finalmente, Fukuma e colegas simularam imagens 3D-AFM de fibras de citoesqueleto para as quais existem imagens 3D-AFM obtidas experimentalmente e descobriram que as simulações concordam bem com o experimento. Os cientistas concluíram, portanto, que seu método "é aplicável a várias fibras em células, como DNA e assim por diante, alterando parâmetros como rigidez, fornecendo uma base teórica importante para essas medições experimentais". + Explorar mais

Atribuindo recursos móveis em microscopia de força atômica de alta velocidade