Schema schematico di una sequenza TOP-DNP eseguita a 0,35 T. La sequenza di impulsi TOP-DNP è composta da un treno di m impulsi a microonde di lunghezza t P separati da un ritardo d tra gli impulsi, in campioni statici (non rotanti). La sequenza viene ripetuta h volte con un tempo di ripetizione t rappresentante per fare massa 1 polarizzazione H. La sequenza diventa pulsata SE se d =0. Credito: Progressi scientifici , Tan et al., Sci. Adv . 2019;5:eaav6909
I ricercatori del MIT hanno sviluppato un modo per migliorare notevolmente la sensibilità della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), una tecnica utilizzata per studiare la struttura e la composizione di molti tipi di molecole, comprese le proteine legate all'Alzheimer e ad altre malattie.
Utilizzando questo nuovo metodo, gli scienziati dovrebbero essere in grado di analizzare in pochi minuti strutture che in precedenza avrebbero impiegato anni per decifrare, dice Robert Griffin, il professore di chimica Arthur Amos Noyes. Il nuovo approccio, che si basa su brevi impulsi di potenza a microonde, potrebbe consentire ai ricercatori di determinare strutture per molte proteine complesse che sono state difficili da studiare fino ad ora.
"Questa tecnica dovrebbe aprire nuove e vaste aree della chimica, biologico, materiali, e la scienza medica che sono attualmente inaccessibili, "dice Grifone, l'autore senior dello studio.
Il postdoc del MIT Kong Ooi Tan è l'autore principale dell'articolo, che appare in Progressi scientifici il 18 gennaio. Gli ex postdoc del MIT Chen Yang e Guinevere Mathies, e Ralph Weber di Bruker BioSpin Corporation, sono anche autori dell'articolo.
Sensibilità migliorata
La risonanza magnetica tradizionale utilizza le proprietà magnetiche dei nuclei atomici per rivelare le strutture delle molecole che contengono quei nuclei. Usando un forte campo magnetico che interagisce con gli spin nucleari dell'idrogeno e di altri atomi marcati con isotopi come il carbonio o l'azoto, L'NMR misura un tratto noto come spostamento chimico per questi nuclei. Questi spostamenti sono unici per ogni atomo e servono quindi come impronte digitali, che può essere ulteriormente sfruttato per rivelare come questi atomi sono collegati.
La sensibilità dell'NMR dipende dalla polarizzazione degli atomi, una misura della differenza tra la popolazione di spin nucleari "su" e "giù" in ciascun insieme di spin. Maggiore è la polarizzazione, la maggiore sensibilità che si può ottenere. Tipicamente, i ricercatori cercano di aumentare la polarizzazione dei loro campioni applicando un campo magnetico più forte, fino a 35 tesla.
Un altro approccio, che Griffin e Richard Temkin del Plasma Science and Fusion Center del MIT hanno sviluppato negli ultimi 25 anni, migliora ulteriormente la polarizzazione utilizzando una tecnica chiamata polarizzazione nucleare dinamica (DNP). Questa tecnica prevede il trasferimento della polarizzazione dagli elettroni spaiati dei radicali liberi all'idrogeno, carbonio, azoto, o nuclei di fosforo nel campione in esame. Ciò aumenta la polarizzazione e rende più facile scoprire le caratteristiche strutturali della molecola.
Il DNP viene solitamente eseguito irradiando continuamente il campione con microonde ad alta frequenza, utilizzando uno strumento chiamato girotrone. Ciò migliora la sensibilità NMR di circa 100 volte. Però, questo metodo richiede molta potenza e non funziona bene a campi magnetici più elevati che potrebbero offrire miglioramenti di risoluzione ancora maggiori.
Per superare quel problema, il team del MIT ha trovato un modo per fornire brevi impulsi di radiazione a microonde, invece dell'esposizione continua a microonde. Emettendo questi impulsi a una frequenza specifica, sono stati in grado di migliorare la polarizzazione di un fattore fino a 200. Questo è simile al miglioramento ottenuto con il DNP tradizionale, ma richiede solo il 7% della potenza, e a differenza del DNP tradizionale, può essere implementato a campi magnetici più elevati.
"Possiamo trasferire la polarizzazione in modo molto efficiente, attraverso un uso efficiente dell'irradiazione a microonde, " dice Tan. "Con l'irradiazione a onde continue, hai appena fatto esplodere la potenza del microonde, e non hai alcun controllo sulle fasi o sulla lunghezza dell'impulso."
Risparmio di tempo
Con questo miglioramento della sensibilità, campioni che in precedenza avrebbero impiegato quasi 110 anni per essere analizzati potrebbero essere studiati in un solo giorno, dicono i ricercatori. Nel Progressi scientifici carta, hanno dimostrato la tecnica utilizzandola per analizzare molecole di prova standard come una miscela di glicerolo e acqua, ma ora hanno in programma di usarlo su molecole più complesse.
Una delle principali aree di interesse è la proteina beta amiloide che si accumula nel cervello dei malati di Alzheimer. I ricercatori hanno anche in programma di studiare una varietà di proteine legate alla membrana, come canali ionici e rodopsine, che sono proteine sensibili alla luce che si trovano nelle membrane batteriche e nella retina umana. Perché la sensibilità è così grande, questo metodo può fornire dati utili da una dimensione del campione molto più piccola, che potrebbe facilitare lo studio di proteine difficili da ottenere in grandi quantità.
Lo studio è pubblicato su Progressi scientifici .
