doi.org/10.1038/s41467-024-51733-8
Credibilidade: 999
#Nanotecnologia
Cientistas da Caltech desenvolveram uma técnica revolucionária, movida por machine learning, para medir com precisão a massa de partículas individuais usando dispositivos avançados em escala nanométrica.
Esse método pode melhorar muito nossa compreensão dos proteomas, permitindo a medição da massa de proteínas em suas formas naturais e oferecendo novos insights sobre processos biológicos e mecanismos de doenças.
A Nova Técnica da Caltech:
Os cientistas da Caltech criaram um método que usa machine learning para medir com precisão a massa de partículas e moléculas individuais. Para isso, eles utilizam dispositivos minúsculos chamados de dispositivos em escala nanométrica. Essa descoberta pode levar ao uso de diferentes dispositivos para medir a massa, o que é essencial para identificar proteínas, além de possibilitar o mapeamento do proteoma completo, que é o conjunto de todas as proteínas em um organismo.
As proteínas são fundamentais para a vida, pois estão envolvidas em praticamente todos os processos biológicos. Saber quais proteínas são produzidas, onde estão localizadas e em que quantidades pode revelar informações importantes sobre a saúde de um organismo, oferecer pistas sobre doenças e sugerir novos tratamentos. No entanto, os métodos atuais ainda não permitem a caracterização completa dos proteomas.
“Estamos falando de espectrometria de massa em nível de molécula única; a capacidade de observar proteínas inteiras em tempo real sem precisar cortá-las em pedaços,? diz Michael Roukes, professor de Física, Física Aplicada e Bioengenharia, e autor de um artigo na revista *Nature Communications* que descreve a nova técnica. “Se tivermos uma técnica de molécula única com throughput alto o suficiente para medir milhões de proteínas em um tempo razoável, poderemos entender o proteoma completo dos organismos, incluindo os humanos.”
O Poder da Espectrometria de Massa
A espectrometria de massa é uma ferramenta comum usada por cientistas para analisar moléculas. O processo começa com uma amostra desconhecida, que é ionizada (ou seja, recebe uma carga elétrica), e depois é lançada em um caminho específico. Em seguida, um campo magnético ou elétrico desvia os íons para o lado, dependendo do quão leves ou carregados eles estão, ajudando a medir a massa e a carga de cada íon presente. Com essas informações, os pesquisadores podem tentar descobrir a composição química da amostra.
Essa técnica é usada para várias finalidades, como analisar traços de elementos em investigações forenses, detectar biomarcadores de doenças e analisar resíduos de pesticidas. Mas o passo inicial de ionização nem sempre é ideal para todas as amostras, especialmente as biológicas, que podem ser alteradas durante o processo.
As coisas ficam mais complicadas quando as amostras são muito pequenas, por exemplo, quando os cientistas querem determinar a massa de uma proteína individual. Nas últimas duas décadas, com o desenvolvimento de dispositivos sofisticados chamados de sistemas nanoeletromecânicos (NEMS), tornou-se possível realizar um tipo de espectrometria de massa que não requer a ionização da amostra. Isso permitiu medições em tempo real das massas de pequenas moléculas. Porém, certos dispositivos NEMS mais complexos não puderam ser usados para espectrometria de massa.
Avanços em Dispositivos NEMS:
A espectrometria de massa com NEMS geralmente é feita com um dispositivo de silício que se parece com uma pequena haste presa em suas duas extremidades. Quando a haste é atingida, ela vibra como uma corda de violão, com formas de vibração ocorrendo em diferentes frequências.
Se uma amostra for colocada nessa haste, as frequências das vibrações mudam. “A partir dessas mudanças nas frequências, podemos deduzir a massa da amostra,? explica John Sader, professor de pesquisa em Física Aplicada e Aeroespacial na Caltech e autor principal do novo estudo. “Mas, para isso, precisamos conhecer a forma de cada modo de vibração. Isso é essencial para todas essas medições atualmente – você precisa saber como esses dispositivos vibram.”
Nos novos dispositivos NEMS, nem sempre é possível determinar a forma exata dos modos de vibração. Isso porque, em escala nanométrica, há variações ou imperfeições que podem alterar ligeiramente essas formas. E os dispositivos NEMS avançados usados para estudar a física quântica possuem modos de vibração extremamente complexos cujas frequências estão muito próximas umas das outras. “Você não pode simplesmente calcular os modos de vibração e assumir que eles se mantêm durante uma medição,? diz Sader.
Outro problema é que o local exato onde a amostra é colocada no dispositivo afeta as medições de frequência. Pensando novamente na pequena haste, se a amostra for colocada próxima a uma das extremidades, a frequência não mudará tanto quanto se fosse colocada no meio, onde a amplitude da vibração é maior. Mas, com dispositivos que têm apenas um mícron de tamanho, não é possível visualizar o local exato da amostra.
Impressão Digital da Massa Molecular
Sader, Roukes e seus colegas desenvolveram uma nova técnica chamada “espectrometria de massa nanoeletromecânica por impressão digital”, que supera esses problemas.
Nesse método, os pesquisadores colocam aleatoriamente uma partícula no dispositivo NEMS em um ambiente de vácuo ultralímpido e a temperaturas extremamente baixas. Eles medem, em tempo real, como as frequências dos modos de vibração do dispositivo mudam com essa colocação. Isso permite que construam um vetor de alta dimensão que representa essas mudanças de frequência, com uma dimensão para cada modo. Repetindo isso com partículas em diferentes locais aleatórios, eles criam uma biblioteca de vetores usada para treinar o software de machine learning.
Cada vetor funciona como uma impressão digital, com uma forma ou direção específica que muda dependendo do local onde a partícula foi colocada.
“Se eu pegar uma partícula de massa desconhecida e colocá-la em qualquer lugar do dispositivo NEMS – não sei onde ela caiu; na verdade, nem me importo – e medir as frequências dos modos vibracionais, isso me dará um vetor que aponta para uma direção específica,? explica Sader. “Se eu então comparar com todos os vetores da biblioteca e encontrar aquele que for mais paralelo, essa comparação me dará a massa desconhecida da partícula. É simplesmente a razão entre as magnitudes dos dois vetores.”
Roukes e Sader afirmam que essa técnica de impressão digital pode ser usada com qualquer dispositivo. A equipe da Caltech analisou teoricamente dispositivos NEMS de cristais fonônicos, desenvolvidos no laboratório do físico Amir Safavi-Naeni, da Universidade de Stanford. Esses dispositivos avançados conseguem prender as vibrações em certas frequências, permitindo que as medições sejam feitas com alta qualidade. Para testar o método, a equipe usou dispositivos alternativos e mediu a massa de partículas individuais de GroEL, uma proteína que ajuda no dobramento correto de outras proteínas nas células.
Roukes observa que, para grandes complexos de proteínas e proteínas de membrana, como a GroEL, os métodos tradicionais de espectrometria de massa são problemáticos. Esses métodos fornecem a massa total e a carga, mas essas medições não identificam de forma única uma espécie. Para esses grandes complexos, haveria muitos candidatos possíveis. “Você precisa encontrar uma forma de distinguir isso,? diz Roukes. “O método mais usado é cortar a proteína em pedaços menores, de 3 a 20 aminoácidos, e depois usar reconhecimento de padrões para identificar a molécula original. Mas você perde a informação sobre a configuração original porque a destruiu ao cortá-la.”
A nova técnica de impressão digital, diz Roukes, “é um passo em direção a uma alternativa chamada espectrometria de massa de molécula única nativa, onde você observa proteínas grandes e complexas, uma a uma, em sua forma natural, sem cortá-las.”
Publicado em 27/10/2024 23h40
Artigo original:
- https://scitechdaily.com/machine-learning-meets-nanotech-caltechs-breakthrough-in-mass-spectrometry/
Estudo original: