Bloques de construcción biomoleculares incautados por el láser

Bloques de construcción biomoleculares incautados por el láser


19 de marzo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Pulsos láser que atrapan brevemente moléculas flotantes y las alinean con precisión en el espacio. Suena como un truco de fiesta original pero académico, pero es la tecnología que el equipo dirigido por el empleado de DESY, Jochen Küpper, presenta ahora en la revista especializada. comunicación de la naturaleza («Conformación de pulsos de picosegundos para una fuerte alineación tridimensional sin campo de moléculas genéricas de punta asimétrica») también tiene un gran potencial de investigación, porque disponer las moléculas en una configuración espacial precisa es un requisito previo importante para observar su comportamiento extremadamente rápido en detalle e incluso filmar eso.

Con su último estudio, los expertos ahora han logrado por primera vez alinear una estructura relativamente compleja, la biomolécula indol, sin un campo láser.

En el futuro, el nuevo método también debería poder aplicarse a otras moléculas complejas como aminoácidos, neurotransmisores o vitaminas y posiblemente incluso a proteínas completas. Indol biomolécula en dos orientaciones seleccionadas Además de la estructura de la biomolécula indol en dos orientaciones seleccionadas (izquierda), se pueden ver las señales medidas, que indican que estas moléculas están idealmente alineadas. A la derecha puede ver una de las orientaciones moleculares a lo largo del tiempo, que se determina en el experimento midiendo el momento de los iones de hidrógeno en la molécula. (Imagen: DESY, J. Küpper/C. López González)

En principio, ha sido posible durante algún tiempo captar moléculas complejas y alinearlas con pulsos láser cortos. Sin embargo, el láser generalmente tiene que estar activo todo el tiempo, lo que no es deseable en ciertos experimentos, especialmente cuando se trata de observar de cerca el comportamiento químico de una molécula.

«Hemos desarrollado una nueva técnica en la que, después de que la molécula se haya alineado con un pulso con un tiempo de subida prolongado, el láser se vuelve a apagar rápidamente», explica Jochen Küpper, científico sénior de DESY, profesor de la Universidad de Hamburgo y miembro del Clúster de Excelencia AIM en el Centro de Imagen Ultrarrápida. «De esta manera, la molécula alineada se puede examinar sin que el campo láser la perturbe».

Hace algún tiempo, el equipo de Küpper usó una técnica similar para capturar y manipular una molécula simple en forma de varilla, el sulfuro de carbonilo, que consta de un átomo de oxígeno, carbono y azufre.

En términos concretos, el grupo logró poner la barra en rotación con un golpe láser corto y filmar literalmente esta rotación mecánica cuántica con un método de detección especial.

El resultado fue una película extremadamente corta compuesta por 651 fotogramas y filmada en 120 billonésimas de segundo. Esto corresponde a la grabación de una «alfombra cuántica» completa, e incluso llegó al Libro Guinness de los Récords.

Además, un experimento especial de difracción de electrones basado en este control pudo determinar la longitud de los enlaces químicos en el sulfuro de carbonilo con una precisión de 5 mil millonésimas de metro, otro récord mundial.

En su último estudio, el equipo logró alinear una molécula mucho más compleja con un pulso láser. El indol es una biomolécula que juega un papel, entre otras cosas, en la absorción de la radiación UV por parte del cuerpo, por ejemplo, en el desarrollo de las quemaduras solares y la protección contra ellas.

«Uno de los desafíos fue apagar nuestros láseres lo suficientemente rápido después de haber alineado las moléculas de indol», explica Küpper.

Se las arreglaron para apagarlo de manera extremadamente abrupta, en cuestión de unos pocos picosegundos, unas pocas billonésimas de segundo. Esta parada abrupta se logró mediante un hábil control de las pantallas LCD similares a las que se encuentran en algunos televisores y monitores de computadora.

Después de apagar el láser, solo hay una pequeña ventana de tiempo antes de que la molécula gire fuera de alineación nuevamente; pero este tiempo es suficiente para excitar el indol con radiación ultravioleta y medir su reacción con métodos sofisticados.

Para resolver los componentes individuales de la molécula, es necesaria una alineación lo más precisa posible; después de todo, hace una diferencia significativa para el análisis si la molécula está «de pie» o «acostada».

Sin embargo, resultó difícil demostrar que las moléculas de indol estaban efectivamente alineadas. Para ello, los expertos irradiaron la molécula con luz infrarroja de alta intensidad, provocando que se rompiera en muchos fragmentos. En el proceso, se arrancaron numerosos átomos de hidrógeno y carbono, y sus impulsos se midieron con detectores especiales.

«Tuvimos que desarrollar un método analítico sofisticado para sacar conclusiones sobre la orientación original del indol a partir de estas mediciones», explica Küpper.

En futuros experimentos, los científicos quieren determinar las posiciones de los átomos individuales que componen el indol y el papel de sus respectivos movimientos en las reacciones con la mayor precisión posible.

Pero la tecnología promete mucho más: «En principio, todas las moléculas posibles podrían alinearse y examinarse con ella, como vitaminas, neurotransmisores o incluso proteínas», cree Küpper. «Le hemos dado a la ciencia una nueva herramienta analítica para comprender mejor las propiedades de tales moléculas en el futuro».



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