Scienziati australiani hanno sviluppato un nuovo strumento per l'imaging della vita su scala nanometrica che fornirà nuove informazioni sul ruolo degli ioni dei metalli di transizione come il rame nelle malattie neurodegenerative.

In un nuovo articolo pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , un team di ricercatori dell'Università di Melbourne rivela un "canguro quantistico" che dimostra un modo per rilevare e visualizzare le rotazioni elettroniche in modo non invasivo con sensibilità ambientali e ordini di grandezza di risoluzione mai raggiunti prima. La svolta fornirà a medici e ricercatori un nuovo strumento per sondare il ruolo degli ioni dei metalli di transizione nella biologia e nelle malattie.

Le tecniche di risonanza di spin elettronico (ESR) sono state un pilastro nella comprensione dei processi biochimici nei sistemi biologici. Eppure ESR non ha visto la rapida crescita rispetto alla sua tecnologia sorella, risonanza magnetica nucleare, che ora è una tecnologia matura utilizzata nella risonanza magnetica (MRI) per guardare all'interno del corpo.

Sia ESR che NMR applicano un campo magnetico alle molecole dell'immagine, ma a differenza di NMR, L'ESR può rivelare la biochimica correlata agli ioni metallici e ai radicali liberi. La sfida è che nei sistemi biologici la concentrazione rilevabile di spin degli elettroni è di molti ordini di grandezza inferiore a quella degli spin nucleari. Quindi, l'ostacolo per lo sviluppo di tecniche di imaging basate sull'ESR è stata la sensibilità richiesta:in genere sono stati necessari miliardi di spin elettronici per generare un segnale sufficiente per l'imaging di successo.

Entra:tecnologia quantistica. Un team guidato dal professor Lloyd Hollenberg ha utilizzato una serie di sonde quantistiche appositamente progettate in diamante per dimostrare l'imaging ESR non invasivo con risoluzione subcellulare. Sorprendentemente, il sistema è in grado di visualizzare e interrogare regioni molto piccole contenenti solo poche migliaia di spin di elettroni.

"La tecnologia di rilevamento e imaging che stiamo sviluppando ci consente di vedere la vita in modi completamente nuovi, con maggiore sensibilità e risoluzione derivate dalle interazioni fondamentali di campione e sonda a livello quantomeccanico, " disse Hollenberg, che è vicedirettore del Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) e Thomas Baker Chair presso l'Università di Melbourne.

"Questo straordinario miglioramento della tecnologia di imaging ESR è uno sviluppo entusiasmante e una chiara dimostrazione di come la tecnologia quantistica può essere utilizzata per migliorare la sensibilità del segnale e fornire soluzioni a problemi di vecchia data, per esempio sondando la biochimica umana su scale ancora più sottili."

Ridimensionare la tecnologia ESR fino a una risoluzione inferiore al micron è stato difficile perché una tale riduzione della risoluzione spaziale richiede una sensibilità sostanzialmente migliore. Però, questo è esattamente ciò che offrono le sonde quantistiche:alta sensibilità con elevata risoluzione spaziale.

Generando una serie di sonde quantistiche in diamante, utilizzando l'esclusivo centro colore della disponibilità di azoto del materiale, il team di ricerca interdisciplinare è stato in grado di visualizzare e rilevare specie di spin elettronico al limite di diffrazione della luce, 300 nanometri. criticamente, la tecnologia di rilevamento è in grado di fornire informazioni spettroscopiche sulla particolare fonte di spin elettronici che vengono ripresi.

Dottor David Simpson, L'autore principale e co-responsabile del rilevamento e dell'imaging presso il Center for Neural Engineering ha affermato che la tecnologia può fornire nuove informazioni sul ruolo degli ioni dei metalli di transizione in biologia.

"Gli ioni dei metalli di transizione sono implicati in diverse malattie neurodegenerative, però, si sa poco della loro concentrazione e stato di ossidazione all'interno delle cellule viventi, " Egli ha detto.

"Miriamo ad adattare questa nuova forma di rilevamento per iniziare a sondare tali effetti in una serie di sistemi biologici".

Uno dei vantaggi unici del rilevamento quantistico è che non interferisce con il campione sottoposto a imaging. Altri approcci si basano su molecole fluorescenti che si legano a particolari bersagli di interesse. Sebbene questi approcci siano specie-specifici, modificano la funzionalità e la disponibilità delle specie bersaglio di cui viene eseguita l'imaging.

Lo studente di dottorato e coautore dell'articolo Robert Ryan ha spiegato la tecnica.

"La nostra tecnica si basa sul passivo, rilevamento non invasivo di spin elettronici osservando la loro interazione con l'array di sonde quantistiche, " ha detto Ryan.

"Sintonando attentamente un magnete esterno in risonanza con le sonde quantistiche, siamo in grado di ascoltare il rumore magnetico creato dagli spin elettronici del campione. Diverse specie di spin elettronico hanno diverse condizioni di risonanza; quindi siamo in grado di rilevare e visualizzare vari bersagli di spin elettronici".

Una chiave per il successo del lavoro è stata la collaborazione tra i membri del team, provenienti da diversi centri di ricerca dell'università.

"L'aspetto interdisciplinare di questa ricerca ha contribuito a spingere i confini di ciò che è possibile, " ha detto il professor Paul Mulvaney, co-autore e direttore del Center for Exciton Science presso la School of Chemistry dell'Università di Melbourne.

"Dal punto di vista della chimica, è sorprendente vedere che un fragile sistema quantistico può adattarsi all'ambiente fluttuante incontrato nei sistemi chimici "reali" e alle fluttuazioni intrinseche nell'ambiente degli ioni sottoposti a riarrangiamento del ligando. Le competenze complementari nell'ambito della chimica, la fisica e le neuroscienze hanno portato a questo progresso".