Em termos de organização do espaço, O DNA tem poderes que rivalizam com Marie Kondo. Uma fita de DNA de dois metros de comprimento se dobra intrincadamente em um núcleo celular de apenas 10 mícrons de diâmetro. (Um dos fios de cabelo da sua cabeça tem um diâmetro de 100 mícrons, e você não pode ver nada menor do que isso sem um microscópio.) Tudo o que precisa acontecer bioquimicamente para que o DNA funcione depende do desempacotamento e desenrolamento preciso de seus fios daquele espaço minúsculo.

Mas o estudo do DNA e de outras moléculas complexas geralmente se concentra não em suas propriedades mecânicas, mas em seus processos químicos, observou o professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais da Duke, Piotr Marszalek. Embora a pesquisa bioquímica tenha levado a aplicações inovadoras como a clonagem, terapia gênica e perfil de expressão gênica, Marszalek disse que o foco intenso em uma única área às vezes ofuscou a importância da mecânica no entendimento da relação entre a estrutura e a função molecular.

Marszalek pertence a uma comunidade de pesquisadores que usam espectroscopia de força de molécula única (SMFS) para estudar a estrutura molecular, e as forças que estabilizam essas estruturas. Atualmente, existem três abordagens principais para SMFS:microscopia de força atômica (AFM), que varre a superfície de uma molécula com uma sonda do tamanho de alguns átomos e é capaz de esticar mecanicamente essas moléculas; pinças ópticas, que atraem partículas por meio de lasers focalizados (e que ganharam seu inventor, Arthur Ashkin, Prêmio Nobel de Física); e pinças magnéticas, cujo sorteio é tão poderoso que Marszalek me alertou contra lidar com eles, por medo de que minha pele ficasse presa entre os cilindros magnéticos e eu achasse impossível separá-los.

Cada abordagem permite que os pesquisadores capturem uma única molécula - como o DNA, ou um pouco de músculo ou outra proteína - e lentamente estique para observar o que acontece.

Não se quebra ao meio, Como você pode esperar.

As cadeias polipeptídicas são dobradas localmente, Marszalek explicou, de uma forma que forma pequenos glóbulos. "Quando você inicialmente estica uma proteína, você faz uma estrutura reta, "ele disse." Mas quando você puxar mais longe, tudo começa a se desenrolar. Você pode puxar e puxar sem quebrar, e, em casos extremos, um domínio pode se desfazer e oferecer comprimento extra para se proteger. "

Marszalek enfatizou que isso não é novidade - em maio de 1997, três artigos sobre este assunto foram publicados quase simultaneamente, um em Natureza (A equipe de Robert Simmons usou pinças ópticas) e duas em Ciência (A equipe de Carlos Bustamante também usava pinças ópticas, enquanto a equipe de Herman Gaub usou AFM). Mas essas descobertas ensinaram aos pesquisadores muito sobre como os músculos são construídos, e reforçar a importância de compreender a mecânica na menor escala.

Marszalek atualmente trabalha para entender como as moléculas recuperam suas formas e funcionam uma vez que a tensão exercida sobre elas é relaxada. Pegue a luciferase do pirilampo - quando dobrado corretamente, esta proteína bioluminesce. Quando perde sua estrutura, torna-se um polímero simples, incapaz de produzir luz. Outras proteínas, no mesmo ponto de colapso, beneficiam da assistência de "enzimas chaperonas" que auxiliam na recuperação da sua forma original. Como eles fazem isso, exatamente, não está claro, e aprender mais sobre esse mecanismo pode nos dar uma ideia de como nossos corpos se curam após o estresse físico.

Alguns dos colegas de Marszalek estão descobrindo a mecânica das infecções bacterianas - como bactérias como o staph são capazes de detectar proteínas receptoras nas células e se agarrar a elas com tanta tenacidade que a corrente sanguínea é incapaz de eliminá-las. A força dessa ligação foi medida com sucesso em 2017 usando AFM, e descobrir como dissolver os laços pode ajudar na luta contra essas infecções mortais.

No final do verão de 2019, a National Science Foundation financiou um workshop SMFS que Marszalek organizou, ao lado de Andres F. Oberhauser da University of Texas Medical Branch. Realizado em Duke, o workshop reuniu os luminares que foram os pioneiros nas técnicas de SMFS décadas atrás com pesquisadores juniores com foco nas perspectivas futuras da espectroscopia de força. A intensa agenda de sessões e mesas redondas durou até altas horas da noite todos os dias, à medida que os participantes cobriam as principais realizações possibilitadas por cada técnica, direções futuras propostas, e ponderou sobre os bloqueios de estradas que estão impedindo o progresso.

Isso foi também, como Marszalek esperava, um encontro de troca para ferramentas e ideias. Pesquisadores da University of Colorado-Boulder ofereceram moléculas que podem ser usadas como "alças" para separar outras moléculas; um pesquisador da Johns Hopkins demonstrou como pinças a laser podem ser usadas para capturar proteínas recém-sintetizadas. O próprio Marszalek saiu com uma nova e brilhante colaboração com a Universidade de Milwaukee, cujos físicos têm profundo conhecimento com pinças magnéticas.

"A espectroscopia de força de molécula única claramente atingiu a maioridade e produziu muitas descobertas seminais nos campos da mecanobiologia e da mecanoquímica, "disse Marszalek." O entusiasmo sobre as abordagens SMFS está aumentando constantemente, mas existem desafios a serem resolvidos, particularmente quando se trata de explorar SMFS para estudar propriedades mecânicas e forças dentro de células vivas. À medida que os pesquisadores desenvolvem abordagens inteligentes para atingir esse objetivo, este assunto por si só poderia ser o tema de outro simpósio empolgante. "