Wat drijft cellen om te leven en motoren om te bewegen? Het komt allemaal neer op een hoeveelheid die wetenschappers "vrije energie, " in wezen de energie die uit elk systeem kan worden gehaald om nuttig werk uit te voeren. Zonder deze beschikbare energie, een levend organisme zou uiteindelijk sterven en een machine zou inactief blijven.

Werkzaam bij het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Maryland in College Park, onderzoekers hebben een nieuwe manier bedacht en gedemonstreerd om vrije energie te meten. Door microscopie te gebruiken om de fluctuerende beweging of configuratie van afzonderlijke moleculen of andere kleine objecten te volgen en te analyseren, de nieuwe methode kan worden toegepast op een grotere verscheidenheid aan microscopische en nanoscopische systemen dan eerdere technieken.

"Wetenschappers vertrouwen sinds de ontwikkeling van stoommachines op vrije energie om complexe systemen te begrijpen. Dit concept zal net zo fundamenteel blijven als we eiwitten en andere systemen met één molecuul ontwerpen en ontwerpen, " merkte David Ross van NIST op, eerste auteur van een nieuw artikel over dit werk in Natuurfysica . "Maar de metingen zijn veel moeilijker voor die kleine systemen - dus benaderingen zoals de nieuwe die we beschrijven, zullen van fundamenteel belang zijn, " hij voegde toe.

Door veranderingen in vrije energie te meten als een systeem beweegt of zijn interne structuur verandert, wetenschappers kunnen bepaalde aspecten voorspellen van hoe een levend systeem zich zal gedragen of hoe een machine zal werken - zonder de onmogelijke taak om het komen en gaan bij te houden van alle atomen en moleculen waaruit het systeem bestaat.

Een alledaags voorbeeld van vrije energie zit in de verbrandingsmotor van een auto, met een totale energie gelijk aan de energie van zijn beweging plus de warmte die het genereert. Aftrekken van de warmte-energie, die uit het systeem verdwijnt, verlaat de vrije energie.

In één methode, wetenschappers gebruiken een microscopisch kleine krachtsensor om aan een eiwit- of DNA-molecuul te trekken, die zich kan gedragen als een miniatuurveer wanneer uitgerekt of samengedrukt, om veranderingen in kracht en positie te meten terwijl een systeem ontspant en energie vrijgeeft. Echter, de bevestiging van de krachtsensor kan het microscopische systeem verstoren en kan niet worden gebruikt om veranderingen in vrije energie te meten die geen directe verandering van positie met zich meebrengen.

De nieuwe methode, die optische microscopie kan gebruiken om de beweging of configuratie van kleine systemen te volgen, bepaalt vrije energieën zonder de bevestiging aan een krachtsensor. De nieuwe analyse zou een krachtige manier kunnen zijn om in de innerlijke werking van een breed scala aan microscopische systemen te kijken, inclusief levende systemen zoals virussen of cellen om de processen beter te begrijpen, zoals energie-inname, chemische reacties en de beweging van moleculen die levende systemen in stand houden.

"We zijn omringd door natuurlijke systemen die profiteren van microscopisch kleine fluctuaties in vrije energie, en nu hebben we een manier om beter te meten, begrijpen, en, uiteindelijk, deze fluctuaties zelf manipuleren, " zei co-auteur Elizabeth Strychalski van NIST.

De analyse leent zich voor het bestuderen van microscopische systemen die beginnen in een zeer aangeslagen toestand met hoge energie, verre van evenwicht met hun omgeving, en ontspan dan terug naar evenwicht. De eigenschappen van microscopische systemen kunnen aanzienlijk fluctueren als ze ontspannen als gevolg van de willekeurige beweging van continue gedrang door omringende moleculen. De nieuwe methode, die het team Relaxation Fluctuation Spectroscopy (ReFlucS) noemt, gebruikt metingen van die fluctuaties tijdens ontspanning om de vrije energie te bepalen.

"Onze aanpak laat zien dat nuttige informatie kan worden verkregen door de willekeurige bewegingen van een systeem te observeren terwijl het tot rust komt van een zeer opgewonden, staat ver van evenwicht, " zei co-auteur Christopher Jarzynski van de Universiteit van Maryland.

Als voorbeeldsysteem de wetenschappers bestudeerden de beweging van DNA-moleculen beperkt tot een ruimte op nanometerschaal in de vorm van een trap. Om in de bovenste treden te persen, welke zijn het ondiepst, de DNA-moleculen moeten strakker worden samengedrukt dan moleculen die de onderste treden innemen. Dit resulteert in een hogere vrije energie voor de moleculen aan de top. Door een elektrisch veld aan te leggen, het team dreef de DNA-moleculen naar de bovenkant van de trap. De onderzoekers schakelden vervolgens het elektrische veld uit en observeerden de beweging van de moleculen met een optische microscoop.

De DNA-moleculen daalden meestal de trap af terwijl ze ontspanden in de richting van evenwicht, hun vrije energie verminderen. Echter, door microscopische schommelingen, de DNA-moleculen bewogen af ​​en toe de trap weer op, het vergroten van hun vrije energie. De onderzoekers analyseerden de fluctuerende beweging van de DNA-moleculen, zodat ze het vrije-energieprofiel in kaart kunnen brengen - hoeveel gratis energie er op verschillende locaties is, en waar de energie hoog en laag is.

"ReFlucS geeft toegang tot informatie over gratis energie die voorheen ontoegankelijk was, " zei co-auteur Samuel Stavis van NIST.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.