Investigadores Desarrollan Un Escáner De Resonancia Magnética Nuclear Para Proteínas Individuales

Los científicos desarrollan un escáner de resonancia magnética nuclear para proteínas individuales

La luz láser verde transmitida a través de una fibra óptica excita los átomos de nitrógeno en un diamante, lo que hace que brille con una luz roja. El brillo de un átomo de nitrógeno en el borde de la red de diamante permite sacar conclusiones sobre las señales magnéticas de una muestra en la superficie del sensor. Universidad de Stuttgart

Un equipo de investigadores ha desarrollado un sensor cuántico que permite utilizar la exploración por resonancia magnética nuclear para investigar la estructura de proteínas individuales. átomo por átomo.

Los escáneres de resonancia magnética nuclear, que son familiares en los hospitales, son ahora extremadamente sensibles. Un sensor cuántico desarrollado por un equipo dirigido por el profesor Jörg Wrachtrup en la Universidad de Stuttgart e investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, ahora hace posible el uso de escaneo por resonancia magnética nuclear para incluso investigar la estructura de átomos de proteínas individuales. por átomo. En el futuro, el método podría ayudar a diagnosticar enfermedades en una etapa temprana al detectar las primeras proteínas defectuosas.

Muchas enfermedades tienen su origen en proteínas defectuosas. Como las proteínas son importantes motores bioquímicos, los defectos pueden provocar alteraciones en el metabolismo. Los priones defectuosos, que causan daño cerebral en la EEB y la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, son un ejemplo. Los priones patológicamente alterados tienen defectos en su compleja estructura molecular. El problema: las proteínas defectuosas individuales también pueden inducir defectos en proteínas intactas vecinas a través de una especie de efecto dominó y, por lo tanto, desencadenar una enfermedad. Por lo tanto, sería muy útil que los médicos pudieran detectar los primeros priones, aún individuales, con la estructura incorrecta. Sin embargo, hasta la fecha no ha sido posible dilucidar la estructura de una biomolécula individual.

En un artículo publicado en “Science”, un equipo de investigadores de Stuttgart ha presentado un método que se puede utilizar en el futuro para la investigación confiable de biomoléculas individuales. Esto es importante no solo para combatir enfermedades, sino también para la investigación básica química y bioquímica.

El método implica la miniaturización, por así decirlo, de la tomografía por resonancia magnética nuclear (RMN) conocida por la ingeniería médica, que generalmente se denomina exploración por RM en el campo médico. La RMN hace uso de una propiedad especial de los átomos: su giro. En términos simples, se puede pensar en el espín como la rotación de núcleos atómicos y electrones alrededor de su propio eje, convirtiendo las partículas en diminutos imanes de barra giratoria. El comportamiento de estos imanes es característico de cada tipo de átomo y de cada elemento químico. Así, cada partícula oscila con una frecuencia específica.

En aplicaciones médicas, es normal que solo se detecte un tipo de átomo en el cuerpo: el hidrógeno, por ejemplo. El contenido de hidrógeno en los diferentes tejidos permite distinguir el interior del cuerpo con la ayuda de diversos contrastes.

Resolución estructural a nivel atómico

Al dilucidar la estructura de las biomoléculas, por otro lado, se debe determinar cada átomo individual y luego se debe descifrar la estructura de la biomolécula pieza por pieza. El aspecto crucial aquí es que los detectores de RMN son tan pequeños que alcanzan una resolución de escala nanométrica y son tan sensibles que pueden medir moléculas individuales con precisión. Hace más de cuatro años que los investigadores que trabajan con Jörg Wrachtrup diseñaron por primera vez un sensor de RMN tan pequeño; sin embargo, no les permitió distinguir entre átomos individuales.

Para lograr una resolución a nivel atómico, los investigadores deben ser capaces de distinguir entre las señales de frecuencia que reciben de los átomos individuales de una molécula, de la misma manera que una radio identifica una estación de radio por medio de su frecuencia característica. Las frecuencias de las señales emitidas por los átomos de una proteína son aquellas frecuencias a las que giran las barras magnéticas atómicas de la proteína. Estas frecuencias están muy juntas, como si todas las frecuencias de transmisión de las estaciones de radio intentaran exprimirse en un ancho de banda muy estrecho. Esta es la primera vez que los investigadores de Stuttgart logran una resolución de frecuencia en la que pueden distinguir tipos individuales de átomos.

“Hemos desarrollado el primer sensor cuántico que puede detectar las frecuencias de diferentes átomos con suficiente precisión y así resolver una molécula casi en sus átomos individuales”, dice Jörg Wrachtrup. Por tanto, ahora es posible escanear una gran biomolécula, por así decirlo. El sensor, que actúa como una diminuta antena de RMN, es un diamante con un átomo de nitrógeno incrustado en su red de carbono cerca de la superficie del cristal. Los físicos llaman al sitio del átomo de nitrógeno el centro NV: N para nitrógeno y V para vacante, que se refiere a un electrón faltante en la red de diamante directamente adyacente al átomo de nitrógeno. Dicho centro NV detecta el espín nuclear de los átomos ubicados cerca de este centro NV.

Simple pero muy preciso

La frecuencia de giro del momento magnético de un átomo que se acaba de medir se transfiere al momento magnético en el centro NV, que se puede ver con un microscopio óptico especial como un cambio de color.

El sensor cuántico alcanza una sensibilidad tan alta, ya que puede almacenar señales de frecuencia de un átomo. Una sola medición de la frecuencia de un átomo sería demasiado débil para el sensor cuántico y posiblemente demasiado ruidosa. Sin embargo, la memoria permite que el sensor almacene muchas señales de frecuencia durante un período de tiempo más largo y, por lo tanto, se sintonice de manera muy precisa con la frecuencia de oscilación de un átomo, de la misma manera que un receptor de onda corta de alta calidad puede resolver claramente la radio. canales que están muy próximos entre sí.

Esta tecnología tiene otras ventajas además de su alta resolución: funciona a temperatura ambiente y, a diferencia de otros métodos de RMN de alta sensibilidad utilizados en la investigación bioquímica, no requiere vacío. Además, estos otros métodos generalmente operan cerca de cero absoluto – menos 273,16 grados Celsius – necesitando un enfriamiento complejo con helio.

Futuro campo de aplicación: investigación del cerebro

Jörg Wrachtrup no ve uno, sino varios campos de aplicación futuros para sus sensores cuánticos de alta resolución. “Es concebible que, en el futuro, sea posible detectar proteínas individuales que han sufrido un cambio notable en la etapa inicial de una enfermedad y que hasta ahora se han pasado por alto”. Además, Wrachtrup está colaborando con una empresa industrial en un sensor cuántico un poco más grande que podría usarse en el futuro para detectar los campos magnéticos débiles del cerebro. “A este sensor lo llamamos el lector cerebral. Esperamos que nos ayude a descifrar cómo funciona el cerebro – y sería un buen complemento a los dispositivos eléctricos convencionales derivados del EEG ”- el electroencefalograma. Para el lector de cerebros, Wrachtrup ya está trabajando con su socio industrial en un soporte y una carcasa para que el dispositivo sea fácil de usar y operar en el día a día. Sin embargo, para llegar a este punto se necesitarán al menos otros diez años de investigación.

Publicación: Nabeel Aslam, et al., “Resonancia magnética nuclear a nanoescala con resolución química”, Science 01 de junio de 2017: eaam8697; DOI: 10.1126 / science.aam8697

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