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A espectroscopia Terahertz mapeia a formação espontânea de gotículas ricas em proteínas que podem levar a doenças neurodegenerativas.
Usando um novo método “Terahertz (THz) calorimetria”, uma equipe de pesquisa do Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (RESOLV) em Bochum foi bem-sucedida em lançar nova luz sobre a separação espontânea de fases em uma fase rica em proteínas e uma fase pobre em proteínas em uma solução. Supõe-se que as gotículas ricas em proteínas promovam a formação de agregados de proteínas neurotóxicas – um ponto quente para doenças neurodegenerativas. Os pesquisadores, liderados pela professora Martina Havenith, presidente de Físico-Química II da Ruhr University Bochum, relatam no Journal of Physical Chemistry Letters publicado online em 6 de fevereiro de 2023.
Nível molecular e resolução de tempo na faixa de picossegundos
O estudo faz parte do projeto “THz calorimetry”, que recebeu um Advanced Grant do European Research Council (ERC). “A ideia visionária do projeto era combinar duas técnicas poderosas em físico-química — espectroscopia a laser e calorimetria”, explica a donatária Martina Havenith.
A calorimetria mede quantidades fundamentais para reações químicas e bioquímicas, como capacidade térmica, entalpia e entropia. Com base em parâmetros específicos de substâncias bem conhecidos, é possível prever se, por exemplo, uma reação ocorrerá espontaneamente sem qualquer entrada externa de energia ou se as condições de equilíbrio prevalecem. As medições calorimétricas ocorrem em um recipiente macroscópico. A quantidade de calor necessária para uma mudança de temperatura ou uma reação química ou bioquímica é medida. “A limitação desse método é o tempo limitado de resolução e a quantidade de amostra necessária”, diz Martina Havenith.
O objetivo do projeto ERC era superar essas limitações. Isso exigiu uma nova abordagem para medir quantidades calorimétricas para as menores amostras com uma resolução de tempo de picossegundos, ou um milionésimo de um milionésimo de segundo no nível molecular. “No entanto, não podemos, em princípio, alcançar resolução temporal e espacial nessa escala de alcance com esses conceitos tradicionais de medição de calor”, explica o pesquisador. “Isso exigia uma abordagem revolucionária diferente que intrinsecamente oferece um acesso diferente.”
A água desempenha um papel crucial
O grupo de pesquisa mostrou que as impressões digitais espectroscópicas da água podem ser medidas por sua absorção na faixa de THz, que está linearmente correlacionada com as quantidades calorimétricas. Isso permite que os pesquisadores rastreiem essas quantidades calorimétricas fundamentais em tempo real usando métodos espectroscópicos e espectroscópicos a laser ultrarrápidos, mesmo para sistemas complexos durante um processo ou reação.
Em seu trabalho atual, inspirado por sua colaboração com os grupos de pesquisa do professor Konstanze Winklhofer e do professor Jörg Tatzelt na Ruhr University Bochum, eles usaram esse método pela primeira vez para estudar um tópico importante na pesquisa biomédica: eles investigaram a separação de fase líquido-líquido , a separação espontânea de fases em uma fase líquida rica em proteínas e uma fase líquida pobre em proteínas.
“Usando a calorimetria THz, podemos mapear a formação dessas gotículas ricas em proteínas em nível molecular. Não apenas as próprias proteínas, mas a água também desempenha um papel crucial”, relata Martina Havenith. “Agora podemos acompanhar on-line quaisquer alterações na água durante o processo de formação com a câmera THz. Com base nas quantidades calorimétricas derivadas, podemos fornecer previsões precisas sobre a formação de gotículas separadas por fase e a dependência de parâmetros externos, como temperatura .”
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