211service.com
Det første magnetresonansmikroskopet har menneskelig biokjemi i sikte
Magnetisk resonansavbildning er et av miraklene til moderne vitenskap. Den produserer ikke-invasive 3D-bilder av kroppen ved hjelp av harmløse magnetfelt og radiobølger. Og med noen få ekstra triks kan den også avsløre detaljer om den biokjemiske sammensetningen av vev.
Det biokjemiske trikset kalles magnetisk resonansspektroskopi, og det er et kraftig verktøy for leger og forskere som studerer kroppens biokjemi, inkludert metabolske endringer i svulster i hjernen og i muskler.
Men denne teknikken er ikke perfekt. Oppløsningen av magnetisk resonansspektroskopi er begrenset til lengdeskalaer på omtrent 10 mikrometer. Og det er en verden av kjemisk og biologisk aktivitet i mindre skalaer som forskere rett og slett ikke kan få tilgang til på denne måten.
Så leger og forskere ville elske å ha et magnetisk resonansmikroskop som kan studere kroppsvev og de biokjemiske reaksjonene i det i mye mindre skalaer.
I dag sier David Simpson og venner ved University of Melbourne i Australia at de har bygget et magnetisk resonansmikroskop med en oppløsning på bare 300 nanometer som kan studere biokjemiske reaksjoner på tidligere ufattelige skalaer. Deres viktigste gjennombrudd er en eksotisk diamantsensor som lager magnetiske resonansbilder på en lignende måte som en lysfølsom CCD-brikke i et kamera.
Magnetisk resonansavbildning fungerer ved å plassere en prøve i et magnetfelt som er så kraftig at atomkjernene alle blir på linje; med andre ord, de spinner alle på samme måte. Når disse kjernene er zapped med radiobølger, blir kjernene opphisset og sender deretter ut radiobølger mens de slapper av. Ved å studere mønsteret av re-utsendte radiobølger, er det mulig å finne ut hvor de kommer fra og slik bygge opp et bilde av prøven.
Signalene avslører også hvordan atomene er bundet til hverandre og de biokjemiske prosessene som fungerer. Men oppløsningen til denne teknikken er begrenset av hvor nært radiomottakeren kan komme til prøven.
Gå inn i Simpson og co, som har bygget en helt ny type magnetisk resonanssensor av diamantfilm. Den hemmelige sausen i denne sensoren er en rekke nitrogenatomer som har blitt innebygd i en diamantfilm på en dybde på omtrent syv nanometer og omtrent 10 nanometer fra hverandre.
Nitrogenatomer er nyttige fordi når de er innebygd i diamant, kan de få dem til å fluorescere. Og når de befinner seg i et magnetfelt, er fargen de produserer svært følsom for spinn av atomer og elektroner i nærheten eller, med andre ord, for det lokale biokjemiske miljøet.
Så i den nye maskinen plasserer Simpson og co prøven sin på toppen av diamantsensoren, i et kraftig magnetfelt og zapper den med radiobølger. Eventuelle endringer i tilstanden til nærliggende kjerner får nitrogengruppen til å fluorescere i forskjellige farger. Og utvalget av nitrogenatomer produserer et slags bilde, akkurat som en lysfølsom CCD-brikke. Alt Simpson og co gjør er å overvåke dette fyrverkeriet for å se hva som skjer.
For å sette den nye teknikken igjennom, studerer Simpson og co oppførselen til heksaaqua-kobber(2+)-komplekser i vandig løsning. Hexaaqua kobber er tilstede i mange enzymer som bruker det til å inkorporere kobber i metalloproteiner. Imidlertid er fordelingen av kobber under denne prosessen, og rollen den spiller i cellesignalering, dårlig forstått fordi det er umulig å visualisere in vivo.
Simpson og co viser hvordan dette nå kan gjøres ved hjelp av deres nye teknikk, som de kaller kvantemagnetisk resonansmikroskopi. De viser hvordan den nye sensoren deres kan avsløre den romlige fordelingen av kobber 2+ ioner i volumer på bare noen få attoLitre og med høy oppløsning. Vi demonstrerer bildeoppløsning ved diffraksjonsgrensen (~300 nm) med spinnfølsomheter i zeptomol-området (10-21), sier Simpson og co. De viser også hvordan teknikken avslører redoksreaksjonene som ionene gjennomgår. Og de gjør alt dette ved romtemperatur.
Det er imponerende arbeid som har viktige implikasjoner for det fremtidige studiet av biokjemi. Arbeidet demonstrerer at kvantesensorsystemer kan imøtekomme det fluktuerende Brownske miljøet man møter i 'ekte' kjemiske systemer og de iboende fluktuasjonene i spinnmiljøet til ioner som gjennomgår ligand-omorganisering, sier Simpson og co.
Det gjør det til et kraftig nytt verktøy som kan endre måten vi forstår biologiske prosesser på. Simpson og co er optimistiske med tanke på potensialet. Kvantemagnetisk resonansmikroskopi er ideell for å undersøke fundamental biokjemi på nanoskala som bindingshendelser på cellemembraner og den intracellulære overgangsmetallkonsentrasjonen i periplasmaen til prokaryote celler.
Ref: arxiv.org/abs/1702.04418 : Kvantemagnetisk resonansmikroskopi