Vad driver celler att leva och motorer att röra sig? Allt handlar om en mängd som forskare kallar "fri energi, "i huvudsak den energi som kan extraheras från vilket system som helst för att utföra användbart arbete. Utan denna tillgängliga energi, en levande organism skulle så småningom dö och en maskin låg vilande.

I arbete vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland i College Park, forskare har tagit fram och demonstrerat ett nytt sätt att mäta fri energi. Genom att använda mikroskopi för att spåra och analysera den fluktuerande rörelsen eller konfigurationen av enskilda molekyler eller andra små föremål, den nya metoden kan tillämpas på en större variation av mikroskopiska och nanoskopiska system än tidigare tekniker.

"Forskare har förlitat sig på fri energi för att förstå komplexa system sedan utvecklingen av ångmotorer. Detta koncept kommer att fortsätta att vara lika grundläggande som vi konstruerar och designar proteiner och andra enkelmolekylsystem, "noterade NIST:s David Ross, första författare till en ny uppsats om detta arbete i Naturfysik . "Men mätningarna är mycket svårare för de små systemen - så tillvägagångssätt som det nya vi beskriver kommer att vara av grundläggande betydelse, " han lade till.

Genom att mäta förändringar i fri energi när ett system flyttar eller ändrar sin interna struktur, forskare kan förutsäga vissa aspekter av hur ett levande system kommer att bete sig eller hur en maskin kommer att fungera - utan den omöjliga uppgiften att hålla koll på alla atomer och molekyler som består av systemet.

Ett vardagligt exempel på fri energi finns i en förbränningsmotor i en bil, med en total energi lika med energin i dess rörelse plus värmen som den genererar. Subtrahera värmeenergin, som försvinner från systemet, lämnar den fria energin.

I en metod, forskare använder en mikroskopisk kraftsensor för att dra i ett protein eller en DNA -molekyl, som kan bete sig som en miniatyrfjäder vid sträckning eller komprimering, för att mäta förändringar i kraft och position när ett system slappnar av och släpper ut energi. Dock, Kraftsensorns infästning kan störa det mikroskopiska systemet och kan inte användas för att mäta förändringar i fri energi som inte innebär en direkt förändring av läget.

Den nya metoden, som kan använda optisk mikroskopi för att spåra rörelse eller konfiguration av små system, bestämmer fria energier utan anslutning till en kraftsensor. Den nya analysen kan visa sig vara ett kraftfullt sätt att se in i de inre funktionerna i en mängd olika mikroskopiska system, inklusive levande system som virus eller celler för att bättre förstå processerna, som energiintag, kemiska reaktioner och rörelsen av molekyler som håller levande system i funktion.

"Vi är omgivna av naturliga system som utnyttjar mikroskopiska fluktuationer i fri energi, och nu har vi ett sätt att bättre mäta, förstå, och, i sista hand, manipulera dessa fluktuationer själva, "säger medförfattaren Elizabeth Strychalski från NIST.

Analysen lämpar sig för att studera mikroskopiska system som börjar i ett mycket upphetsat tillstånd med hög energi, långt ifrån jämvikt med sin omgivning, och sedan slappna av mot jämvikt. Egenskaperna hos mikroskopiska system kan fluktuera betydligt när de slappnar av på grund av slumpmässig rörelse från kontinuerlig jostling av omgivande molekyler. Den nya metoden, som teamet kallar Relaxation Fluctuation Spectroscopy (ReFlucS), använder mätningar av dessa fluktuationer under avslappning för att bestämma den fria energin.

"Vår metod visar att användbar information kan hämtas från att observera slumpmässiga rörelser i ett system när det lägger sig från en mycket upphetsad, långt ifrån jämviktstillstånd, "säger medförfattaren Christopher Jarzynski vid University of Maryland.

Som ett föredömligt system, forskarna studerade rörelsen av DNA-molekyler begränsade till ett utrymme i nanometer skala formad som en trappa. För att klämma in i de översta stegen, som är de grundaste, DNA -molekylerna måste komprimeras tätare än molekyler som upptar de nedre stegen. Detta resulterar i en högre fri energi för molekylerna på toppen. Genom att tillämpa ett elektriskt fält, laget körde DNA -molekylerna in i trappans överkant. Forskarna stängde sedan av det elektriska fältet och observerade molekylernas rörelse med ett optiskt mikroskop.

DNA -molekylerna gick mest nerför trappan när de slappnade av mot jämvikt, minska sin fria energi. Dock, på grund av mikroskopiska fluktuationer, DNA -molekylerna rörde sig ibland uppför trappan, öka sin fria energi. Forskarna analyserade DNA -molekylernas fluktuerande rörelse, låta dem kartlägga frienergiprofilen-hur mycket ledig energi det finns på olika platser, och där energin är hög och låg.

"ReFlucS ger tillgång till information om fri energi som tidigare var otillgänglig, "sa medförfattaren Samuel Stavis från NIST.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.