Micrografia eletrônica mostrando um dos dispositivos de "pesagem de molécula. A seção no centro, semelhante a uma ponte, vibra lateralmente. A barra da escala, na parte inferior, tem dois mícrons (um mícron corresponde a um milionésimo de metro).

O dispositivo - que possui um tamanho de apenas dois milionésimos de metro - consiste de uma minúscula estrutura, semelhante a uma ponte. Quando uma partícula ou molécula fica na ponte, sua massa muda a frequência de oscilação, de modo que é possível determinar o "peso" da partícula a partir disso.

"À medida que cada partícula chega, podemos medir sua massa", afirmou Michael Roukes, Professor Robert M. Abbey de Física, Física Aplicada e Bioengenharia do Caltech. "Ninguém jamais fez isso antes", disse ele.

O novo instrumento é baseado em uma técnica desenvolvida por Roukes e seus colegas nos últimos 12 anos. Em um trabalho publicado em 2009, mostraram que um dispositivo parecido com uma ponte - chamado de sistema de ressonância nanoeletromecânico (NEMS - nanoelectromechanical system) -, poderia de fato medir a massa de partículas individuais, que tenham sido pulverizadas sobre o sistema. A dificuldade, todavia, era que as mudanças medidas na frequência dependiam não somente da massa da partícula, mas também do local onde esta havia pousado. Sem o conhecimento desse local, os pesquisadores tiveram que analisar medições de cerca de 500 partículas idênticas, a fim de identificar sua massa.

Com a técnica nova e aprimorada, os cientistas precisam somente de uma única partícula para fazer a medição. "O avanço crítico que fizemos nesse trabalho atual é que agora ele nos permite "pesar" as moléculas - uma por uma - como elas chegam", afirmou Roukes.

Para isso, os pesquisadores fizeram uma análise de como uma partícula altera a frequência de vibração da ponte. Todo movimento oscilatório é composto dos chamados modos vibracionais. Se a ponte apenas vibrasse no primeiro modo, balançaria de um lado para o outro, com o centro da estrutura apresentando o movimento de maior amplitude. O segundo modo vibracional é de uma frequência mais elevada, em que metade da ponte se desloca lateralmente em uma direção e a outra metade, em direção oposta, formando uma onda de oscilação em forma de S, que se estende por todo o comprimento da ponte. Há ainda um terceiro modo, quarto modo, e assim por diante. Toda vez que a ponte oscila, seu movimento pode ser descrito como uma mistura desses modos vibracionais.

A equipe descobriu que, analisando como os primeiros dois modos mudam de frequência quando uma partícula chega, seria possível determinar a massa da partícula e sua posição, explica Mehmet Selim Hanay, um pesquisador de pós-doutorado do laboratório de Rouke e autor principal do artigo. "Com cada medida, podemos determinar a massa da partícula, o que não era possível em estruturas mecânicas até então."

Tradicionalmente, moléculas são "pesadas" fazendo-se uso de um método denominado espectroscopia de massa, no qual dezenas de milhões de moléculas são ionizadas - de modo a que possuam uma carga elétrica -, e, então, interagem com um campo eletromagnético. Pela análise dessa interação, os cientistas podem descobrir a massa das moléculas.

O problema com esse método é que ele não funciona muito bem para partículas de maior massa - como proteínas ou vírus -, que possuem maior dificuldade para adquirir carga elétrica. Como resultado, suas interações com campos eletromagnéticos são muito fracas para que o instrumento possa fazer medições suficientemente acuradas.

O novo dispositivo, por outro lado, trabalha bem com partículas grandes. De fato, os pesquisadores disseram que poderia ser integrado a instrumentos comerciais já existentes, para expandir as capacidades dos mesmos, possibilitando assim a medição de uma ampla gama de massas.

Os pesquisadores demonstraram como a nova ferramenta trabalha, pesando uma molécula chamada de imunoglobulina M (IgM), um anticorpo produzido pelas células imunológicas do sangue. Pesando cada molécula - que pode assumir diferentes estruturas com diferentes massas no corpo -, os pesquisadores foram capazes de contar e identificar os vários tipos de IgM. Não só foi a primeira vez que uma molécula biológica foi pesada usando-se um dispositivo nanomecânico, mas também a demonstração serviu como um passo adiante na direção das aplicações biomédicas. Instrumentos futuros podem ser usados para monitorar o sistema imunológico de pacientes ou mesmo diagnosticar doenças imunológicas. Por exemplo, certa proporção de moléculas IgM no sangue é uma evidência de um tipo de câncer conhecido como Macroglobulinemia de Waldenström.

Em um futuro mais longínquo, o novo instrumento pode dar aos biólogos uma visão interior da maquinaria molecular de uma célula. As proteínas dirigem quase todas as funções celulares, e suas tarefas específicas dependem do tipo de estrutura molecular anexado a elas - portanto, da adição de mais peso à proteína - durante um processo chamado modificação pós-traducional. Pesando cada proteína em uma célula em vários momentos, os biólogos seriam então capazes de obter, com detalhes, a cada instante, o que certa proteína faz em um dado momento particular.

Outra vantagem do novo dispositivo é que ele é feito usando o padrão das técnicas de fabricação de semicondutores, o que facilita sua produção em massa. Isto é crucial, visto que é necessário para o uso de instrumentos que são suficientemente eficientes para médicos ou biólogos desde centenas a dezenas de milhares dessas pontes trabalhando em paralelo. "Com a incorporação desses dispositivos, que é feita por técnicas de integração em larga escala, estamos bem em nosso caminho para a criação de tais instrumentos", afirmou Roukes. Essa nova tecnologia, disseram os pesquisadores, permitirá o desenvolvimento de uma nova geração de instrumentos de espectrometria de massa.

"Esse resultado demonstra como a Aliança para Nanossistemas VLSI, iniciada em 2006, criou um ambiente favorável para a realização de experimentos inovativos com o estado da arte e dispositivos produzidos em massa", comentou Laurent Malier, diretor do CEA-LETI. Aliança para Nanossistemas VLSI é o nome da parceria entre o Instituto de Nanosciência Kavli do Caltech e o CEA-LETI. "Esses dispositivos", prosseguiu, "permitirão importantes aplicações comerciais, graças ao custo vantajoso e à repetibilidade do processo."

Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) (Tradução - AGS).

Nota do Scientific Editor - O trabalho "Single-protein nanomechanical mass spectrometry in real time", que deu origem a esta notícia, é de autoria de M. S. Hanay, S. Kelber, A. K. Naik, D. Chi, S. Hentz, E. C. Bullard, E. Colinet, L. Duraffourg e M. L. Roukes, tendo sido publicado na revista Nature Nanotechnology, vol. 7, 602-608 (2012), DOI:10.1038/nnano.2012.119.