La espectroscopia de terahercios mapea la formación espontánea de gotitas ricas en proteínas que pueden conducir a enfermedades neurodegenerativas.

Usando un nuevo método de « calorimetría de terahercios (THz) », un equipo de investigación del Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (RESOLV) en Bochum logró arrojar nueva luz sobre la separación espontánea de fases en una fase rica en proteínas y otra pobre en proteínas. en una solución. Se supone que las gotas ricas en proteínas promueven la formación de agregados de proteínas neurotóxicas, un punto crítico para las enfermedades neurodegenerativas. Los investigadores, dirigidos por la profesora Martina Havenith, presidenta de Química Física II en la Universidad Ruhr de Bochum, informan en el Journal of Physical Chemistry Letters publicado en línea el 6 de febrero de 2023.

Nivel molecular y resolución de tiempo en el rango de picosegundos

El estudio forma parte del proyecto « Calorimetría THz », que recibió una subvención avanzada del Consejo Europeo de Investigación (ERC). « La idea visionaria del proyecto era combinar dos poderosas técnicas en química física : espectroscopia láser y calorimetría », explica la becaria, Martina Havenith.

La calorimetría mide cantidades fundamentales para las reacciones químicas y bioquímicas, como la capacidad calorífica, la entalpía y la entropía. Basándose en parámetros específicos de sustancias bien conocidos, es posible predecir si, por ejemplo, una reacción se producirá espontáneamente sin ningún aporte externo de energía o si dominarán las condiciones de equilibrio. Las mediciones calorimétricas tienen lugar en un recipiente macroscópico. Se mide la cantidad de calor necesaria para un cambio de temperatura o una reacción química o bioquímica. « La limitación de este método es su resolución de tiempo limitado y la cantidad de muestra requerida », dice Martina Havenith.

El objetivo del proyecto ERC era superar estas limitaciones. Esto requería un nuevo enfoque para medir cantidades calorimétricas para las muestras más pequeñas con una resolución de tiempo de picosegundos, o una millonésima de una millonésima de segundo a nivel molecular. “Sin embargo, no podemos, en principio, lograr una resolución espacial y temporal a esta escala con estos conceptos tradicionales de medición de calor”, explica el investigador. « Esto requería un enfoque revolucionario diferente que intrínsecamente ofrece un acceso diferente ».

El agua juega un papel crucial

El grupo de investigación demostró que las huellas dactilares espectroscópicas del agua se pueden medir por su absorción en el rango de THz, que se correlaciona linealmente con las cantidades calorimétricas. Esto permite a los investigadores rastrear estas cantidades calorimétricas fundamentales en tiempo real utilizando métodos espectroscópicos láser ultrarrápidos y espectroscópicos, incluso para sistemas complejos durante un proceso o reacción.

En su trabajo actual, inspirado por su colaboración con los grupos de investigación del profesor Konstanze Winklhofer y el profesor Jörg Tatzelt en la Universidad Ruhr de Bochum, utilizaron este método por primera vez para estudiar un tema candente en la investigación biomédica : investigaron la separación de fases líquido-líquido. la separación espontánea de fases en una fase líquida rica en proteínas y otra pobre en proteínas.

« Usando la calorimetría THz, podemos mapear la formación de estas gotitas ricas en proteínas a nivel molecular. No solo las proteínas en sí, sino que el agua también juega un papel crucial », informa Martina Havenith. « Ahora podemos seguir en línea cualquier cambio en el agua durante el proceso de formación con la cámara THz. Basándonos en las cantidades calorimétricas derivadas, podemos dar predicciones precisas sobre la formación de gotas separadas en fases y la dependencia de parámetros externos como la temperatura.. »