O que leva as células a viverem e os motores a se moverem? Tudo se resume a uma quantidade que os cientistas chamam de "energia livre, "essencialmente a energia que pode ser extraída de qualquer sistema para realizar um trabalho útil. Sem essa energia disponível, um organismo vivo acabaria morrendo e uma máquina ficaria ociosa.

Trabalhando no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e na Universidade de Maryland em College Park, pesquisadores desenvolveram e demonstraram uma nova maneira de medir a energia livre. Usando microscopia para rastrear e analisar o movimento flutuante ou configuração de moléculas individuais ou outros pequenos objetos, o novo método pode ser aplicado a uma variedade maior de sistemas microscópicos e nanoscópicos do que as técnicas anteriores.

"Os cientistas contam com energia livre para entender sistemas complexos desde o desenvolvimento das máquinas a vapor. Este conceito continuará a ser tão fundamental quanto projetamos e projetamos proteínas e outros sistemas de molécula única, "observou David Ross do NIST, primeiro autor de um novo artigo sobre este trabalho em Física da Natureza . "Mas as medições são muito mais difíceis para esses sistemas pequenos - então, abordagens como a nova que descrevemos serão de fundamental importância, " ele adicionou.

Ao medir as mudanças na energia livre conforme um sistema se move ou altera sua estrutura interna, os cientistas podem prever certos aspectos de como um sistema vivo se comportará ou como uma máquina operará - sem a tarefa impossível de acompanhar as idas e vindas de todos os átomos e moléculas que compõem o sistema.

Um exemplo diário de energia livre está no motor de combustão interna de um automóvel, com uma energia total igual à energia de seu movimento mais o calor que gera. Subtraindo a energia térmica, que se dissipa do sistema, deixa a energia livre.

Em um método, cientistas usam um sensor de força microscópico para puxar uma proteína ou molécula de DNA, que pode se comportar como uma mola em miniatura quando esticada ou comprimida, para medir as mudanças na força e na posição enquanto um sistema relaxa e libera energia. Contudo, a fixação do sensor de força pode perturbar o sistema microscópico e não pode ser usado para medir mudanças na energia livre que não envolvam uma mudança direta na posição.

O novo método, que pode usar microscopia óptica para rastrear o movimento ou configuração de pequenos sistemas, determina as energias livres sem o apego a um sensor de força. A nova análise pode ser uma maneira poderosa de examinar o funcionamento interno de uma ampla variedade de sistemas microscópicos, incluindo sistemas vivos, como vírus ou células para entender melhor os processos, como ingestão de energia, reações químicas e o movimento das moléculas que mantêm os sistemas vivos funcionando.

“Estamos rodeados por sistemas naturais que aproveitam as flutuações microscópicas da energia livre, e agora temos uma maneira de medir melhor, Compreendo, e, em última análise, manipulamos essas flutuações nós mesmos, "disse a co-autora Elizabeth Strychalski do NIST.

A análise se presta ao estudo de sistemas microscópicos que começam em um estado altamente excitado com alta energia, longe do equilíbrio com seus arredores, e então relaxe em direção ao equilíbrio. As propriedades dos sistemas microscópicos podem flutuar significativamente à medida que relaxam devido ao movimento aleatório de empurrões contínuos pelas moléculas circundantes. O novo método, que a equipe se refere como Espectroscopia de Flutuação de Relaxamento (ReFlucS), usa medições dessas flutuações durante o relaxamento para determinar a energia livre.

"Nossa abordagem mostra que informações úteis podem ser obtidas observando os movimentos aleatórios de um sistema à medida que ele se estabelece a partir de um sistema altamente excitado, estado longe do equilíbrio, "disse o co-autor Christopher Jarzynski, da Universidade de Maryland.

Como um sistema exemplar, os cientistas estudaram o movimento das moléculas de DNA confinadas a um espaço em escala nanométrica em forma de escada. Para se espremer nas etapas superiores, quais são os mais rasos, as moléculas de DNA devem ser comprimidas com mais força do que as moléculas que ocupam os degraus inferiores. Isso resulta em uma energia livre mais alta para as moléculas no topo. Ao aplicar um campo elétrico, a equipe levou as moléculas de DNA até o topo da escada. Os pesquisadores então desligaram o campo elétrico e observaram o movimento das moléculas com um microscópio óptico.

As moléculas de DNA principalmente desceram a escada enquanto relaxavam em direção ao equilíbrio, diminuindo sua energia livre. Contudo, devido a flutuações microscópicas, as moléculas de DNA ocasionalmente voltaram a subir a escada, aumentando sua energia livre. Os pesquisadores analisaram o movimento flutuante das moléculas de DNA, permitindo-lhes mapear o perfil de energia livre - quanta energia livre existe em diferentes locais, e onde a energia é alta e baixa.

"ReFlucS fornece acesso a informações sobre energia gratuita que antes eram inacessíveis, "disse o co-autor Samuel Stavis do NIST.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.