En ny måde at måle energi på i mikroskopiske maskiner

Hvad får celler til at leve og motorer til at bevæge sig? Det hele kommer ned til en mængde, som forskere kalder "gratis energi, "hovedsagelig den energi, der kan udvindes fra ethvert system for at udføre nyttigt arbejde. Uden denne tilgængelige energi, en levende organisme ville til sidst dø, og en maskine ville ligge inaktiv.

Arbejder på National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland i College Park, forskere har udtænkt og demonstreret en ny måde at måle fri energi på. Ved at bruge mikroskopi til at spore og analysere den svingende bevægelse eller konfiguration af enkelte molekyler eller andre små objekter, den nye metode kan anvendes på et større udvalg af mikroskopiske og nanoskopiske systemer end tidligere teknikker.

"Forskere har været afhængige af fri energi til at forstå komplekse systemer siden udviklingen af ​​dampmaskiner. Dette koncept vil fortsat være lige så fundamentalt, som vi konstruerer og designer proteiner og andre enkeltmolekylesystemer, "bemærkede NIST's David Ross, første forfatter til et nyt papir om dette værk i Naturfysik . "Men målingerne er meget sværere for de små systemer - så tilgange som den nye, vi beskriver, vil være af grundlæggende betydning, " han tilføjede.

Ved at måle ændringer i fri energi, når et system flytter eller ændrer sin interne struktur, videnskabsfolk kan forudsige visse aspekter af, hvordan et levende system vil opføre sig, eller hvordan en maskine vil fungere - uden den umulige opgave at holde styr på alle atomer og molekyler, der udgør systemet.

Et dagligdags eksempel på fri energi er i forbrændingsmotoren i en bil, med en total energi svarende til energien i dens bevægelse plus den varme, den genererer. At trække varmeenergien fra, der forsvinder fra systemet, efterlader den frie energi.

I en metode, forskere bruger en mikroskopisk kraftsensor til at trække i et protein eller DNA -molekyle, som kan opføre sig som en miniaturefjeder, når den er strakt eller komprimeret, at måle ændringer i kraft og position, når et system slapper af og frigiver energi. Imidlertid, fastgørelsen af ​​kraftsensoren kan forstyrre det mikroskopiske system og kan ikke bruges til at måle ændringer i fri energi, der ikke involverer en ligetil ændring i position.

Den nye metode, som kan bruge optisk mikroskopi til at spore bevægelse eller konfiguration af små systemer, bestemmer frie energier uden fastgørelse til en kraftsensor. Den nye analyse kan vise sig at være en effektiv måde at kigge ind i den indre funktion af en bred vifte af mikroskopiske systemer, herunder levende systemer såsom vira eller celler for bedre at forstå processerne, såsom energiindtag, kemiske reaktioner og bevægelse af molekyler, der holder levende systemer til at fungere.

"Vi er omgivet af naturlige systemer, der drager fordel af mikroskopiske udsving i fri energi, og nu har vi en måde at bedre måle, forstå, og, ultimativt, selv manipulere disse udsving, "sagde medforfatter Elizabeth Strychalski fra NIST.

Analysen egner sig til at studere mikroskopiske systemer, der starter i en meget ophidset tilstand med høj energi, langt fra ligevægt med deres omgivelser, og derefter slappe af tilbage mod ligevægt. Egenskaberne ved mikroskopiske systemer kan svinge betydeligt, når de slapper af på grund af den tilfældige bevægelse fra kontinuerlige stød fra omgivende molekyler. Den nye metode, som teamet omtaler som Relaxation Fluctuation Spectroscopy (ReFlucS), bruger målinger af disse udsving under afslapning til at bestemme den frie energi.

"Vores tilgang viser, at nyttig information kan hentes ved at observere tilfældige bevægelser i et system, når det sætter sig ned fra en meget begejstret, langt fra ligevægtstilstand, "sagde medforfatter Christopher Jarzynski fra University of Maryland.

Som et eksemplarisk system, forskerne studerede bevægelsen af ​​DNA-molekyler begrænset til et nanometer-skala rum formet som en trappe. For at komme ind i de øverste trin, som er de laveste, DNA-molekylerne skal komprimeres tættere end molekyler, der optager de nederste trin. Dette resulterer i en højere fri energi for molekylerne i toppen. Ved at anvende et elektrisk felt, holdet kørte DNA -molekylerne ind i toppen af ​​trappen. Forskerne slukkede derefter for det elektriske felt og observerede molekylernes bevægelse med et optisk mikroskop.

DNA-molekylerne gik for det meste ned ad trappen, mens de slappede af mod ligevægt, reducere deres frie energi. Imidlertid, på grund af mikroskopiske udsving, DNA-molekylerne bevægede sig lejlighedsvis tilbage op ad trappen, øge deres frie energi. Forskerne analyserede den fluktuerende bevægelse af DNA-molekylerne, giver dem mulighed for at kortlægge frienergiprofilen-hvor meget gratis energi der er forskellige steder, og hvor energien er høj og lav.

"ReFlucS giver adgang til oplysninger om gratis energi, der tidligere var utilgængelig, "sagde medforfatter Samuel Stavis fra NIST.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.