Pierwszy mikroskop rezonansu magnetycznego ma w zasięgu wzroku biochemię człowieka

Rezonans magnetyczny to jeden z cudów współczesnej nauki. Wytwarza nieinwazyjne trójwymiarowe obrazy ciała za pomocą nieszkodliwych pól magnetycznych i fal radiowych. A dzięki kilku dodatkowym sztuczkom może również ujawnić szczegóły biochemicznego składu tkanki.

Ta biochemiczna sztuczka nazywana jest spektroskopią rezonansu magnetycznego i jest potężnym narzędziem dla lekarzy i badaczy badających biochemię organizmu, w tym zmiany metaboliczne w guzach mózgu i mięśni.

Ale ta technika nie jest idealna. Rozdzielczość spektroskopii rezonansu magnetycznego jest ograniczona do skali długości około 10 mikrometrów. I istnieje świat chemicznej i biologicznej aktywności na mniejszą skalę, do którego naukowcy po prostu nie mają dostępu w ten sposób.

Tak więc lekarze i badacze bardzo chcieliby mieć mikroskop rezonansu magnetycznego, który mógłby badać tkankę ciała i reakcje biochemiczne w jej obrębie w znacznie mniejszej skali.

Dziś David Simpson i jego koledzy z University of Melbourne w Australii twierdzą, że zbudowali mikroskop rezonansu magnetycznego o rozdzielczości zaledwie 300 nanometrów, który może badać reakcje biochemiczne w niewyobrażalnej wcześniej skali. Ich kluczowym przełomem jest egzotyczny czujnik diamentowy, który tworzy obrazy rezonansu magnetycznego w podobny sposób, jak światłoczuły chip CCD w aparacie.

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego polega na umieszczeniu próbki w polu magnetycznym tak silnym, że wszystkie jądra atomowe zostają wyrównane; innymi słowy, wszystkie obracają się w ten sam sposób. Kiedy te jądra zostają uderzone falami radiowymi, jądra stają się podekscytowane, a następnie emitują fale radiowe, gdy się rozluźniają. Badając wzorzec reemitowanych fal radiowych, można ustalić, skąd one pochodzą, a tym samym zbudować obraz próbki.

Sygnały ujawniają również, w jaki sposób atomy są ze sobą powiązane i zachodzą procesy biochemiczne. Jednak rozdzielczość tej techniki jest ograniczona przez to, jak blisko próbki może dotrzeć odbiornik radiowy.

Wchodzi Simpson i spółka, którzy zbudowali całkowicie nowy rodzaj czujnika rezonansu magnetycznego z folii diamentowej. Sekretnym sosem w tym czujniku jest szereg atomów azotu osadzonych w diamentowej warstwie na głębokości około siedmiu nanometrów w odległości około 10 nanometrów.

Atomy azotu są przydatne, ponieważ osadzone w diamencie mogą powodować fluorescencję. A w polu magnetycznym kolor, który wytwarzają, jest bardzo wrażliwy na spin pobliskich atomów i elektronów, czyli innymi słowy, na lokalne środowisko biochemiczne.

Tak więc w nowej maszynie Simpson i spółka umieszczają próbkę na czujniku diamentowym w silnym polu magnetycznym i wysyłają ją falami radiowymi. Wszelkie zmiany stanu pobliskich jąder powodują, że matryca azotowa zaczyna fluoryzować w różnych kolorach. A szereg atomów azotu tworzy rodzaj obrazu, tak jak światłoczuły chip CCD. Simpson i spółka tylko monitorują ten pokaz sztucznych ogni, aby zobaczyć, co się dzieje.

Aby przetestować nową technikę, Simpson i wsp. badali zachowanie kompleksów hexaaqua copper(2+) w roztworze wodnym. Miedź Hexaaqua jest obecna w wielu enzymach, które wykorzystują ją do włączania miedzi do metaloprotein. Jednak dystrybucja miedzi podczas tego procesu i rola, jaką odgrywa ona w sygnalizacji komórkowej, jest słabo poznana, ponieważ nie można jej wizualizować in vivo.

Simpson i spółka pokazują, jak można to teraz zrobić za pomocą nowej techniki, którą nazwali mikroskopią kwantowego rezonansu magnetycznego. Pokazują, w jaki sposób ich nowy czujnik może ujawnić przestrzenny rozkład jonów miedzi 2+ w objętości zaledwie kilku attolitrów iw wysokiej rozdzielczości. Demonstrujemy rozdzielczość obrazowania na granicy dyfrakcji (~300 nm) z czułością spinową w zakresie zeptomolu (10-21), powiedzmy Simpson i spółka. Pokazują również, w jaki sposób technika ujawnia reakcje redoks, którym przechodzą jony. A wszystko to robią w temperaturze pokojowej.

To imponująca praca, która ma ważne implikacje dla przyszłych badań biochemicznych. Prace pokazują, że systemy czujników kwantowych mogą przystosować się do zmieniającego się środowiska Browna spotykanego w „prawdziwych” układach chemicznych oraz nieodłącznych fluktuacji w środowisku spinowym jonów przechodzących przegrupowanie ligandów, mówi Simpson i spółka.

To sprawia, że ​​jest to potężne nowe narzędzie, które może zmienić sposób, w jaki rozumiemy procesy biologiczne. Simpson i spółka optymistycznie oceniają jego potencjał. Mikroskopia kwantowego rezonansu magnetycznego jest idealna do badania podstawowych biochemii w nanoskali, takich jak procesy wiązania na błonach komórkowych i wewnątrzkomórkowe stężenie metali przejściowych w peryplazmie komórek prokariotycznych.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1702.04418 : Mikroskopia kwantowego rezonansu magnetycznego

ukryć