Cientistas do Laboratório de Física de Attosegundos desenvolveram uma tecnologia de laser exclusiva para a análise da composição molecular de amostras biológicas. É capaz de detectar variações mínimas na composição química dos sistemas orgânicos.

No nível bioquímico, os organismos podem ser considerados coleções complexas de muitas espécies de moléculas. No curso de seu metabolismo, as células biológicas sintetizam compostos químicos e os modificam de várias maneiras. Muitos desses produtos são liberados no meio intercelular e se acumulam nos fluidos corporais, incluindo o sangue. Um dos principais objetivos da pesquisa biomédica é entender o que essas misturas imensamente complexas de moléculas podem nos dizer sobre o estado do organismo em questão. Todos os tipos de células diferenciadas contribuem para esta 'sopa'. Mas as células pré-cancerosas e malignas adicionam seus próprios marcadores moleculares específicos - e estes fornecem as primeiras indicações da presença de células tumorais no corpo.

Até aqui, Contudo, muito poucas dessas moléculas indicadoras foram identificadas, e aqueles que são conhecidos aparecem em quantidades minúsculas em amostras biológicas. Isso os torna extremamente difíceis de detectar. Os pesquisadores presumem que muitas das assinaturas moleculares mais informativas compreendem combinações de compostos que pertencem a todos os vários tipos de moléculas encontradas nas células - proteínas, açúcares, gorduras e seus diversos derivados. Para defini-los, os pesquisadores exigem um único método analítico versátil e sensível o suficiente para detectar e medir seus níveis.

Uma equipe interdisciplinar liderada pelo Prof. Ferenc Krausz construiu agora um novo sistema baseado em laser que é projetado especificamente para este propósito. O grupo está sediado no Laboratório de Física de Attosegundos (LAP), que é administrado conjuntamente por Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) em Munique e o Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ), e inclui físicos, biólogos e cientistas de dados. Este sistema permite aos pesquisadores obter impressões digitais químicas na forma de espectros infravermelhos que revelam as composições moleculares de amostras de todos os tipos, incluindo amostras de origem biológica. A técnica oferece sensibilidade sem precedentes e pode ser usada para todas as classes conhecidas de biomoléculas.

O novo espectrômetro de laser baseia-se em tecnologias que foram originalmente desenvolvidas no LAP para a produção de pulsos de laser ultracurtos, que são usados ​​para estudar a dinâmica ultrarrápida dos sistemas subatômicos. O instrumento, que foi construído pelo físico Ioachim Pupeza e seus colegas, foi projetado para emitir pulsos extremamente poderosos de luz laser que cobrem um amplo segmento do espectro no comprimento de onda infravermelho. Cada um desses pulsos dura alguns femtossegundos (em notação científica 1 fs =10 ^-15 s, um milionésimo de um bilionésimo de segundo). Esses flashes extremamente breves de luz infravermelha fazem vibrar as ligações que unem os átomos. O efeito é análogo ao de tocar um diapasão. Após a passagem do pulso, as moléculas vibratórias emitem luz coerente em comprimentos de onda altamente característicos ou, equivalentemente, frequências de oscilação. A nova tecnologia permite capturar o conjunto completo de comprimentos de onda emitidos. Uma vez que cada composto distinto na amostra vibra em um conjunto específico de frequências, ele contribui com seu próprio 'subespectro' bem definido para a emissão. Nenhuma espécie molecular tem onde se esconder.

"Com este laser, podemos cobrir uma ampla gama de comprimentos de onda infravermelhos - de 6 a 12 micrômetros - que estimulam vibrações nas moléculas, "diz Marinus Huber, co-primeiro autor do estudo e membro do grupo da bióloga Mihaela Zigman, que também esteve envolvida nas experiências realizadas no LAP. "Ao contrário da espectroscopia de massa, este método fornece acesso a todos os tipos de moléculas encontradas em amostras biológicas, " Ela explica.

Cada um dos pulsos de laser ultracurtos usados ​​para excitar as moléculas consiste em apenas algumas oscilações do campo óptico. Além disso, o brilho espectral do pulso (ou seja, sua densidade de fótons) é até duas vezes maior do que aqueles gerados por síncrotrons convencionais, que até agora serviram como fontes de radiação para abordagens comparáveis ​​à espectroscopia molecular. Além disso, a radiação infravermelha é espacial e temporalmente coerente. Todos esses parâmetros físicos juntos são responsáveis ​​pela sensibilidade extremamente alta do novo sistema de laser, permitindo que moléculas presentes em concentrações muito baixas sejam detectadas e que impressões digitais moleculares de alta precisão sejam produzidas.

Adicionalmente, amostras de tecido vivo com até 0,1 mm de espessura agora podem ser iluminadas com luz infravermelha e analisadas com sensibilidade incomparável. Em experimentos iniciais, a equipe do LAP aplicou a técnica em folhas e outras células vivas, bem como amostras de sangue. "Essa capacidade de medir com precisão as variações na composição molecular dos fluidos corporais abre novas possibilidades na biologia e na medicina, e, no futuro, a técnica poderá encontrar aplicação na detecção precoce de doenças, "Diz Zigman.