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Una microfotografia a scansione elettronica del dispositivo di pesatura delle molecole. Quando una molecola atterra sulla parte del ponte al centro, vibra a una frequenza che indica la sua massa. Immagine via Caltech / Scott Kelberg e Michael Roukes
Quanto pensi che pesa una molecola? Una molecola, che è un singolo gruppo di atomi legati - i due idrogeni e un ossigeno che compongono H2O, per esempio - è quasi incomprensibilmente minuscola. Una mole d'acqua, che è di circa 0, 64 once, ha 602.214.078.000.000.000.000.000.000 di molecole. Le molecole, in breve, sono molto, molto, molto piccole.
Fino ad ora, gli scienziati hanno potuto calcolare solo la massa di grandi gruppi di molecole, ionizzandole (dando loro una carica elettrica) e quindi vedendo quanto fortemente interagivano con un campo elettromagnetico, una tecnica nota come spettrometria di massa. Non avevano tuttavia modo di misurare la massa di una singola molecola.
Ma ieri gli scienziati di Caltech hanno annunciato l'invenzione di un dispositivo che misura direttamente la massa di una singola molecola. Come descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology, il piccolo apparato è costruito attorno a una struttura a ponte che vibra a una frequenza specifica in base alla massa della molecola su di essa. Tracciando con precisione la frequenza di vibrazione del ponte, possono determinare la massa esatta della molecola.
"L'avanzamento critico che abbiamo fatto in questo lavoro attuale è che ora ci consente di pesare le molecole, una per una, appena entrano", afferma Michael Roukes, il principale investigatore del laboratorio che ha prodotto la carta. "Nessuno lo ha mai fatto prima."
Ad occhio nudo, il dispositivo è essenzialmente invisibile: la scala nella parte inferiore dell'immagine del microscopio sopra è lunga due micron o due milionesimi di metro. Il ponte vibrante al suo centro è tecnicamente noto come risonatore di un sistema nanoelettromeccanico ed è in fase di sviluppo da oltre un decennio.
In un precedente lavoro, pubblicato nel 2009, i ricercatori hanno dimostrato che potevano misurare la massa di particelle spruzzate sull'apparato ma con una limitazione: non era abbastanza sensibile da misurare solo una molecola alla volta. Poiché la posizione specifica in cui una particella è atterrata ha influenzato la frequenza di vibrazione e gli scienziati non hanno avuto modo di sapere esattamente dove si sarebbe trovato, hanno dovuto applicare diverse centinaia di particelle identiche per trovare una media che rivelasse la massa.
L'avanzamento si avvale di una nuova visione del modo in cui la frequenza vibrante del ponte cambia quando una molecola viene spruzzata su di essa. Le vibrazioni si verificano simultaneamente in due modalità: la prima modalità è oscillante da un lato all'altro, mentre la seconda modalità si presenta sotto forma di un'onda a forma di S oscillante che si muove su e giù per il ponte. Analizzando esattamente come ognuna di queste modalità cambia quando la molecola colpisce il dispositivo, i ricercatori hanno scoperto che potevano determinare la sua posizione, e quindi la sua massa esatta.
Nello studio, i ricercatori hanno dimostrato l'efficacia dello strumento misurando la massa di una molecola chiamata immunoglobulina M, o IgM, un anticorpo prodotto dalle cellule immunitarie nel sangue e che può esistere in diverse forme. Pesando ciascuna molecola, sono stati in grado di determinare esattamente quale tipo di IgM fosse, suggerendo potenziali applicazioni mediche future. Un tipo di tumore noto come macroglobulinemia di Waldenström, ad esempio, si riflette in un particolare rapporto di molecole di IgM nel sangue di un paziente, quindi futuri strumenti basati su questo principio potrebbero monitorare il sangue per rilevare squilibri anticorpali indicativi di cancro.
Gli scienziati prevedono anche questo tipo di dispositivo come aiuto per i ricercatori biologici che esaminano i macchinari molecolari all'interno di una cellula. Poiché gli enzimi che guidano il funzionamento di una cellula dipendono fortemente dagli attaccamenti molecolari sulla loro superficie, pesare con precisione le proteine in vari momenti e in diversi tipi di cellule potrebbe aiutarci a comprendere meglio i processi cellulari.
Il team prevede persino che la loro invenzione potrebbe avere applicazioni commerciali quotidiane. I monitor ambientali che tengono traccia dell'inquinamento da nanoparticelle nell'aria, ad esempio, potrebbero essere attivati da array di questi ponti vibranti.
È importante sottolineare che, secondo gli scienziati, il dispositivo è stato costruito utilizzando metodi standard di fabbricazione di semiconduttori - lo stesso utilizzato nei circuiti elettrici comuni - in modo che possa teoricamente essere ridimensionato fino ad apparati che includono centinaia o decine di migliaia di sensori a singola molecola che funzionano contemporaneamente. "Con l'incorporazione dei dispositivi realizzati con tecniche per l'integrazione su larga scala, siamo sulla buona strada per creare tali strumenti", afferma Roukes.
