scanner a risonanza magnetica nucleare, come è noto dagli ospedali, ora sono estremamente sensibili. Un sensore quantistico sviluppato da un team guidato dal professor Jörg Wrachtrup dell'Università di Stoccarda e dai ricercatori del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda, ora rende possibile utilizzare la risonanza magnetica nucleare anche per studiare la struttura delle singole proteine ​​atomo per atomo. Nel futuro, il metodo potrebbe aiutare a diagnosticare le malattie in una fase precoce rilevando le prime proteine ​​difettose.

Molte malattie hanno la loro origine in proteine ​​difettose. Poiché le proteine ​​sono importanti motori biochimici, i difetti possono portare a disturbi del metabolismo. prioni difettosi, che causano danni cerebrali nella BSE e nella malattia di Creutzfeldt-Jakob, sono un esempio. I prioni patologicamente modificati hanno difetti nella loro complessa struttura molecolare. Il problema:singole proteine ​​difettose possono anche indurre difetti nelle proteine ​​vicine intatte attraverso una sorta di effetto domino e quindi innescare una malattia. Sarebbe quindi molto utile se i medici potessero rilevare il primo, ancora prioni individuali con la struttura sbagliata. Esso ha, però, finora non è stato possibile chiarire la struttura di una singola biomolecola.

In un articolo pubblicato su Scienza , un team di ricercatori di Stoccarda ha ora presentato un metodo che può essere utilizzato in futuro per l'indagine affidabile di singole biomolecole. Questo è importante non solo per combattere le malattie, ma anche per la ricerca di base chimica e biochimica.

Il metodo prevede la miniaturizzazione per così dire della tomografia a risonanza magnetica nucleare (NMR) nota dall'ingegneria medica, che di solito è chiamata scansione MRI in campo medico. L'NMR fa uso di una proprietà speciale degli atomi:il loro spin. In parole povere, lo spin può essere pensato come la rotazione dei nuclei atomici e degli elettroni attorno al proprio asse, trasformando le particelle in minuscole, magneti a barra rotante. Il comportamento di questi magneti è caratteristico di ogni tipo di atomo e di ogni elemento chimico. Ogni particella oscilla quindi con una frequenza specifica.

Nelle applicazioni mediche, è normale che nel corpo venga rilevato un solo tipo di atomo:idrogeno, Per esempio. Il contenuto di idrogeno nei diversi tessuti permette di distinguere l'interno del corpo con l'ausilio di vari contrasti.

Risoluzione strutturale a livello atomico

Nel chiarire la struttura delle biomolecole, d'altra parte, ogni singolo atomo deve essere determinato e la struttura della biomolecola poi decifrata pezzo per pezzo. L'aspetto cruciale qui è che i rivelatori NMR sono così piccoli da raggiungere una risoluzione su scala nanometrica e sono così sensibili da poter misurare esattamente le singole molecole. Sono passati più di quattro anni da quando i ricercatori che lavorano con Jörg Wrachtrup hanno progettato per la prima volta un sensore NMR così piccolo; io non l'ho fatto, però, permettono loro di distinguere tra i singoli atomi.

Per ottenere una risoluzione a livello atomico, i ricercatori devono essere in grado di distinguere tra i segnali di frequenza che ricevono dai singoli atomi di una molecola – allo stesso modo in cui una radio identifica una stazione radio mediante la sua frequenza caratteristica. Le frequenze dei segnali emessi dagli atomi di una proteina sono quelle frequenze a cui ruotano i magneti della barra atomica nella proteina. Queste frequenze sono molto vicine tra loro, come se le frequenze di trasmissione delle stazioni radio tentassero tutte di restringersi in una larghezza di banda molto ristretta. Questa è la prima volta che i ricercatori di Stoccarda hanno raggiunto una risoluzione in frequenza alla quale possono distinguere i singoli tipi di atomi.

"Abbiamo sviluppato il primo sensore quantistico in grado di rilevare le frequenze di diversi atomi con sufficiente precisione e quindi risolvere una molecola quasi nei suoi singoli atomi, " dice Jörg Wrachtrup. È così ora possibile scansionare una grande biomolecola, com'era. Il sensore, che funge da minuscola antenna NMR, è un diamante con un atomo di azoto incorporato nel suo reticolo di carbonio vicino alla superficie del cristallo. I fisici chiamano il sito dell'atomo di azoto centro NV:N per azoto e V per vacanza, che si riferisce a un elettrone mancante nel reticolo del diamante direttamente adiacente all'atomo di azoto. Un tale centro NV rileva lo spin nucleare degli atomi situati vicino a questo centro NV.

Semplice ma molto preciso

La frequenza di spin del momento magnetico di un atomo appena misurato viene trasferita al momento magnetico nel centro NV, che può essere visto con uno speciale microscopio ottico come un cambiamento di colore.

Il sensore quantistico raggiunge una sensibilità così elevata, in quanto può memorizzare segnali di frequenza di un atomo. Una singola misurazione della frequenza di un atomo sarebbe troppo debole per il sensore quantistico e forse troppo rumorosa. La memoria consente al sensore di memorizzare molti segnali di frequenza per un periodo di tempo più lungo, però, e quindi sintonizzarsi in modo molto preciso sulla frequenza di oscillazione di un atomo, allo stesso modo in cui un ricevitore a onde corte di alta qualità può risolvere chiaramente i canali radio molto vicini tra loro.

Questa tecnologia ha altri vantaggi oltre all'alta risoluzione:funziona a temperatura ambiente e, a differenza di altri metodi NMR ad alta sensibilità utilizzati nella ricerca biochimica, non necessita di vuoto. Inoltre, questi altri metodi generalmente operano vicino allo zero assoluto - meno 273,16 gradi Celsius - richiedendo un raffreddamento complesso con l'elio.

Campo di applicazione futuro:ricerca sul cervello

Jörg Wrachtrup vede non uno, ma diversi futuri campi di applicazione per i suoi sensori quantistici ad alta risoluzione. "È ipotizzabile che, in futuro, sarà possibile rilevare singole proteine ​​che hanno subito un sensibile cambiamento nella fase iniziale di una malattia e che finora sono state trascurate." Inoltre, Wrachtrup sta collaborando con un'azienda industriale su un sensore quantistico leggermente più grande che potrebbe essere utilizzato in futuro per rilevare i deboli campi magnetici del cervello. "Chiamiamo questo sensore il lettore del cervello. Speriamo che ci aiuti a decifrare come funziona il cervello - e sarebbe un buon complemento ai dispositivi elettrici convenzionali derivati ​​dall'EEG" - l'elettroencefalogramma. Per il lettore del cervello, Wrachtrup sta già lavorando con il suo partner industriale su un supporto e un involucro in modo che il dispositivo sia facile da indossare e da utilizzare quotidianamente. Per arrivare a questo punto, però, ci vorranno almeno altri dieci anni di ricerca.