MRI dla wirusów

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) jest podstawą badań medycyny i neuronauki. Potrafi nieinwazyjnie sondować głęboko w tkankach i dostarcza informacji o obecności określonych substancji chemicznych. Ale ponieważ siły magnetyczne, które wykrywa, są tak małe, MRI nie jest zbyt czułe: zazwyczaj ujawnia struktury w skali milimetrowej do submilimetrowej.

Igła nano: Do czubka tego nanometrycznego wspornika krzemowego przymocowana jest niewielka próbka wirusa mozaiki tytoniu. Kiedy jądra wodoru w próbce wchodzą w interakcję z pobliskim magnesem, wspornik lekko drga. Monitorując te wibracje za pomocą lasera, naukowcy mogą skonstruować trójwymiarowy obraz wirusów. Ta technika, zwana mikroskopią sił rezonansu magnetycznego, jest znacznie zmniejszoną wersją MRI.

Teraz badacze w Centrum Badawcze IBM Almaden , w Kalifornii, opracowali skaner MRI o rozdzielczości 100 milionów razy lepszej niż ta – wystarczająco dobrej do obrazowania pojedynczych cząsteczek wirusa. Dzięki dalszym udoskonaleniom technika ta może pewnego dnia zostać wykorzystana do generowania trójwymiarowych obrazów pojedynczych cząsteczek.

Mówi, że marzenie o obrazowaniu pojedynczej cząsteczki to coś, co nie pozwala chemikom spać w nocy Jan Marohn , profesor nadzwyczajny chemii i biologii chemicznej na Cornell University. Gdybyś miał to narzędzie, nie ma końca rzeczy, które mógłbyś z nim zrobić, i nie ma końca dobru, które by z niego wynikło.

MRI wykorzystuje fakt, że jądra niektórych pierwiastków, takich jak wodór, działają jak małe magnesy. Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego jądra te obracają się wokół kierunku pola z charakterystycznymi częstotliwościami, generując niewielkie fluktuacje magnetyczne. W typowym skanerze MRI cewka elektryczna wykrywa te fluktuacje i wykorzystuje je do mapowania przestrzennego rozmieszczenia jąder wodoru, generując obraz skanowanej tkanki.

Ponieważ MRI jest tak dobry w tworzeniu trójwymiarowych obrazów struktur wewnętrznych, naukowcy chcieliby wykorzystać go do obrazowania znacznie mniejszych próbek biologicznych, takich jak pojedyncze białka. Ale cewka detekcyjna nie skaluje się zbyt dobrze – im mniejsza cewka, tym niższa czułość – pozostawiając mniejsze próbki i lepszą rozdzielczość poza zakresem konwencjonalnego MRI.

Nowy skaner opracowany przez IBM wykorzystuje nową technologię zwaną mikroskopią sił rezonansu magnetycznego (MRFM). MRFM omija ograniczenia MRI, wykorzystując fizyczny, a nie elektryczny detektor, który wychwytuje maleńkie siły magnetyczne generowane przez obracające się jądra.

To znacznie bardziej czuły sposób wykrywania magnetyzmu jądra, mówi Dan Rugar, kierownik badań nanoskalowych w IBM Almaden Research Center i lider zespołu, który opracował nowe urządzenie.

Rugar i jego koledzy umieszczają próbkę do zobrazowania na czubku malutkiego, niezwykle czułego wspornika krzemowego. W pobliżu końcówki znajduje się bardzo mały magnes. Używając mikroskopijnego drutu, naukowcy generują oscylujące pole magnetyczne, które powoduje, że jądra wodoru w próbce poruszają się w przód i w tył pomiędzy przyciąganiem i odpychaniem magnesu. Powstałe fizyczne wibracje wspornika są wykrywane przez laser i wykorzystywane do tworzenia obrazu.

Miniaturowy rezonans magnetyczny: Schemat urządzenia skanującego opracowanego przez IBM. Próbkę umieszcza się na końcu ultraczułego wspornika krzemowego i umieszcza w pobliżu maleńkiej końcówki magnetycznej. Mikrodrut wytwarza oscylujące pole magnetyczne, które powoduje, że jądra wodoru w cienkiej części próbki – warstwie rezonansowej – poruszają się w przód iw tył pomiędzy przyciąganiem i odpychaniem końcówki magnetycznej. W rezultacie wspornik lekko wibruje. Drgania te są mierzone za pomocą inferometru laserowego i przekładane na trójwymiarowy obraz próbki.

Pole oscylacyjne jest precyzyjnie dostrojone tak, że reagują tylko jądra znajdujące się w bardzo małym skrawku próbki, zwanym skrawkiem rezonansowym. Skanując magnes w trójwymiarowy wzór, naukowcy mogą przesuwać fragment rezonansowy w całej próbce. To właśnie ta precyzja pozwala urządzeniu stworzyć obraz o tak wysokiej rozdzielczości.

Inne formy obrazowania w wysokiej rozdzielczości, takie jak skaningowa mikroskopia tunelowa i mikroskopia sił atomowych, pozwalają zobaczyć tylko powierzchnię substancji. Dzięki warstwie rezonansowej MRFM może wnikać głęboko w próbkę, tworząc trójwymiarowy obraz jej wewnętrznej struktury.

MRFM pojawił się po raz pierwszy na początku lat 90., a IBM jest konsekwentnym liderem w tej dziedzinie. W przełomowym eksperymencie w 2004 roku Rugar i jego koledzy wykorzystali tę technologię do wykrycia spinu pojedynczego elektronu. Niedawno wygenerowali obrazy niebiologicznej próbki o rozdzielczości nawet 90 nanometrów – znacznie lepszej niż w przypadku konwencjonalnego rezonansu magnetycznego, ale niewystarczająco czułej do modelowania poszczególnych struktur biologicznych.

Teraz, po latach żmudnych postępów, zespół Rugara osiągnął obrazowanie próbki biologicznej w rozdzielczości nanometrowej. Zespół zdecydował się użyć odpornego, dobrze poznanego wirusa mozaiki tytoniu jako dowodu koncepcji i dostrzegł szczegóły o wielkości zaledwie czterech nanometrów. .

To właściwie pierwszy raz, kiedy ta technika została zastosowana na próbce biologicznej, mówi Rugar. Chcieliśmy pokazać, że naprawdę potrafi robić biologię, bo to przecież nasz nadrzędny cel.

Ten udany eksperyment otwiera drzwi do szerokiego zakresu zastosowań biologicznych, mówi Rugar. W szczególności chciałby mieć możliwość obrazowania poszczególnych białek w celu określenia ich wewnętrznej trójwymiarowej struktury.

Masz tysiące białek w swoim ciele, które nie mają znanej struktury, ponieważ nie ma techniki określania ich struktury, mówi Rugar. Obecnie złotym standardem rozwiązywania struktury białek jest krystalografia rentgenowska, która ogranicza się do białek, które mogą być krystalizowane.

Skaner nano-MRI nie podlegałby temu ograniczeniu. Teoretycznie, przy dalszej poprawie rozdzielczości, możliwe byłoby badanie białek w ich natywnym stanie poprzez ich szybkie zamrożenie. MRFM musi być przeprowadzany w bardzo niskiej temperaturze – ledwie powyżej zera absolutnego – aby zminimalizować hałas powodowany przez drgania termiczne.

Prawdziwe znaczenie tego polega na tym, że pokazuje, że granice MRFM nie zostały osiągnięte i wciąż są na drodze do zrobienia aparatu do obrazowania atomowego, mówi Jonathan Jacky , naukowiec z Uniwersytetu Waszyngtońskiego. Aparat do obrazowania w skali atomowej byłby jednym z najważniejszych instrumentów naukowych w historii. Byłby na tym samym poziomie co teleskop czy mikroskop świetlny. Właśnie to jest w tym naprawdę ekscytujące.

ukryć