L'illustration montre deux molécules d'ADN dans un escalier nanofluidique. L'escalier confine les molécules d'ADN, créant une énergie libre qui est plus haute en haut et plus basse en bas. Les molécules d'ADN descendent principalement l'escalier pour réduire leur énergie et se détendre, mais montent parfois l'escalier à mesure que des fluctuations microscopiques augmentent leur énergie. En bas :les images au microscope montrent deux molécules d'ADN dans l'escalier. Des lignes blanches irrégulières montrent leurs trajectoires. Les lettres marquent différentes images de chaque molécule prises à des intervalles d'une minute. Les lignes blanches verticales indiquent les positions des bords des marches. La molécule en haut à droite descend majoritairement l'escalier. La molécule en bas à gauche monte deux marches avant de redescendre. La spectroscopie de fluctuation de relaxation est une nouvelle méthode d'analyse de telles trajectoires fluctuantes pour mesurer l'énergie libre de systèmes microscopiques. Crédit :NIST
Qu'est-ce qui pousse les cellules à vivre et les moteurs à bouger ? Tout se résume à une quantité que les scientifiques appellent « l'énergie libre, " essentiellement l'énergie qui peut être extraite de n'importe quel système pour effectuer un travail utile. Sans cette énergie disponible, un organisme vivant finirait par mourir et une machine resterait inactive.
En poste au National Institute of Standards and Technology (NIST) et à l'Université du Maryland à College Park, les chercheurs ont conçu et démontré une nouvelle façon de mesurer l'énergie libre. En utilisant la microscopie pour suivre et analyser le mouvement ou la configuration fluctuante de molécules individuelles ou d'autres petits objets, la nouvelle méthode peut être appliquée à une plus grande variété de systèmes microscopiques et nanoscopiques que les techniques précédentes.
« Les scientifiques se sont appuyés sur l'énergie gratuite pour comprendre les systèmes complexes depuis le développement des moteurs à vapeur. Ce concept continuera d'être tout aussi fondamental que nous concevons et concevons des protéines et d'autres systèmes à molécule unique, " a noté David Ross du NIST, premier auteur d'un nouvel article sur ce travail en Physique de la nature . "Mais les mesures sont beaucoup plus difficiles pour ces petits systèmes, donc des approches comme la nouvelle que nous décrivons seront d'une importance fondamentale, " il ajouta.
En mesurant les changements d'énergie libre lorsqu'un système se déplace ou modifie sa structure interne, les scientifiques peuvent prédire certains aspects du comportement d'un système vivant ou du fonctionnement d'une machine, sans l'impossible tâche de suivre les allées et venues de tous les atomes et molécules qui composent le système.
Un exemple quotidien d'énergie gratuite se trouve dans le moteur à combustion interne d'une automobile, avec une énergie totale égale à l'énergie de son mouvement plus la chaleur qu'il génère. Soustraire l'énergie thermique, qui se dissipe du système, laisse l'énergie libre.
Dans une méthode, les scientifiques utilisent un capteur de force microscopique pour tirer sur une protéine ou une molécule d'ADN, qui peut se comporter comme un ressort miniature lorsqu'il est étiré ou comprimé, pour mesurer les changements de force et de position lorsqu'un système se détend et libère de l'énergie. Cependant, la fixation du capteur de force peut perturber le système microscopique et ne peut pas être utilisée pour mesurer des changements d'énergie libre qui n'impliquent pas un simple changement de position.
