Cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison desenvolveram o método mais sensível até agora para detectar e traçar o perfil de uma única molécula – revelando uma nova ferramenta que tem potencial para compreender melhor como os blocos de construção da matéria interagem entre si. O novo método poderá ter implicações para atividades tão variadas como a descoberta de medicamentos e o desenvolvimento de materiais avançados.



A conquista técnica, detalhada este mês na revista Nature , marca um avanço significativo no crescente campo de observação de moléculas individuais sem a ajuda de marcadores fluorescentes.

Embora esses rótulos sejam úteis em muitas aplicações, eles alteram as moléculas de maneiras que podem obscurecer a forma como elas interagem naturalmente umas com as outras. O novo método sem rótulos torna as moléculas tão fáceis de detectar que é quase como se elas tivessem rótulos.

"Estamos muito entusiasmados com isso", diz Randall Goldsmith, professor de química da UW – Madison que liderou o trabalho. "Capturar comportamentos no nível de moléculas individuais é uma forma surpreendentemente informativa de compreender sistemas complexos, e se você puder construir novas ferramentas que concedam melhor acesso a essa perspectiva, essas ferramentas podem ser realmente poderosas."

Embora os investigadores possam obter informações úteis a partir do estudo de materiais e sistemas biológicos em escalas maiores, Goldsmith diz que observar o comportamento e as interações entre moléculas individuais é importante para contextualizar essa informação, por vezes levando a novos insights.

“Quando vemos como as nações interagem entre si, tudo se resume às interações entre os indivíduos”, diz Goldsmith. “Você nem pensaria em entender como grupos de pessoas interagem entre si, ignorando como os indivíduos interagem entre si.”

Goldsmith tem perseguido o fascínio das moléculas únicas desde que era pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Stanford, há mais de uma década. Lá, ele trabalhou com o químico W.E. Moerner, que recebeu o Prêmio Nobel de Química em 2014 por desenvolver o primeiro método de utilização da luz para observar uma única molécula.

Desde o sucesso inicial de Moerner, investigadores de todo o mundo criaram e refinaram novas formas de observar estes pequenos pedaços de matéria.

O método desenvolvido pela equipe UW-Madison depende de um dispositivo chamado microrressonador óptico, ou microcavidade. Como o próprio nome sugere, a microcavidade é um espaço extremamente pequeno onde a luz pode ficar presa tanto no espaço como no tempo – pelo menos durante alguns nanossegundos – onde pode interagir com uma molécula.

Microcavidades são mais comumente encontradas em laboratórios de física ou engenharia elétrica, não em laboratórios de química. A história da Goldsmith de combinar conceitos de campos científicos díspares foi reconhecida em 2022 com o prêmio Polymath da Schmidt Futures.

As microcavidades são construídas a partir de espelhos incrivelmente pequenos montados em cima de um cabo de fibra óptica. Esses espelhos de fibra óptica refletem a luz para frente e para trás muitas vezes muito rapidamente dentro da microcavidade.

Os pesquisadores deixam as moléculas caírem na cavidade, deixam a luz passar através dela e podem não apenas detectar a presença da molécula, mas também aprender informações sobre ela, como a rapidez com que ela se move na água. Esta informação pode ser usada para determinar a forma ou conformação da molécula.

“A conformação a nível molecular é extremamente importante, especialmente para pensar sobre como as biomoléculas interagem umas com as outras”, diz Goldsmith.

“Digamos que você tenha uma proteína e algum medicamento de molécula pequena. Você quer ver se a proteína pode ser drogada, o que significa:'O medicamento tem algum tipo de interação importante com a proteína?' Uma maneira de ver isso é introduzindo uma mudança conformacional."

Existem outras maneiras de fazer isso, mas elas exigem grandes quantidades de material de amostra e análises demoradas. Com a técnica de microcavidade recentemente desenvolvida, Goldsmith diz:“Podemos potencialmente construir uma ferramenta de caixa preta para nos dar a resposta em dezenas de segundos”.

A equipe, que incluía Lisa-Maria Needham, ex-pesquisadora de pós-doutorado que agora é diretora de laboratório da Universidade de Cambridge, registrou uma patente para o dispositivo. Goldsmith diz que o dispositivo e os métodos serão aprimorados nos próximos anos. Entretanto, ele diz que ele e os seus colaboradores já estão a pensar nas muitas formas como isso poderia ser útil.

“Estamos entusiasmados com muitas outras aplicações em espectroscopia”, diz ele. "Esperamos poder usar isso como um trampolim para outras maneiras de aprender sobre moléculas."