Nella scienza, molti degli eventi più interessanti si verificano su una scala molto più piccola di quella che l'occhio umano senza aiuto può vedere. I ricercatori medici potrebbero realizzare una serie di scoperte se potessero guardare in profondità all'interno delle cellule biologiche viventi, ma i metodi esistenti per l'imaging mancano della sensibilità e della risoluzione desiderate o richiedono condizioni che portano alla morte cellulare, come le temperature criogeniche. Recentemente, però, un team di ricercatori guidati dall'Università di Harvard che lavorano al programma Quantum-Assisted Sensing and Readout (QuASAR) della DARPA ha dimostrato l'imaging di strutture magnetiche all'interno delle cellule viventi. Utilizzando apparecchiature azionate a temperatura e pressione ambiente, il team è stato in grado di visualizzare dettagli fino a 400 nanometri, che è approssimativamente la dimensione di due virus del morbillo. Per un senso di scala, vedere:learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/.

La tecnica del team di Harvard QuASAR è descritta in a Natura documento intitolato "Imaging magnetico ottico di cellule viventi". Essenzialmente, i ricercatori hanno utilizzato imperfezioni nel diamante note come centri di colore di azoto vacante (NV) per funzionare come sonde ad alta precisione dei campi magnetici prodotti da batteri magnetotattici viventi, organismi che contengono nanoparticelle magnetiche. Utilizzando una serie di questi centri colore NV progettati in punti e densità specifici all'interno di un chip diamantato, i ricercatori sono stati in grado di localizzare le strutture magnetiche in ogni batterio e costruire immagini dei campi magnetici che hanno prodotto.

I risultati del team hanno diverse potenziali applicazioni e potrebbero portare ad ulteriori aree di studio:

• In linea di principio, questa tecnica consentirebbe dettagliate, osservazione in tempo reale dei processi cellulari interni, come la morte cellulare, evoluzione e divisione, e come le cellule sono colpite dalla malattia.
• Le misurazioni dei ricercatori sono direttamente applicabili allo studio della formazione di nanoparticelle magnetiche in altri organismi, che è di interesse per il miglioramento del contrasto nella risonanza magnetica (MRI), ed è stato collegato a disturbi neurodegenerativi.
• La formazione di nanoparticelle magnetiche è stata proposta come meccanismo per la navigazione magnetica negli organismi superiori.

In uno sviluppo correlato, due team separati di ricercatori QuASAR, guidato dall'Università di Stoccarda in Germania e dall'Almaden Research Center di IBM, ha sviluppato un magnetometro su nanoscala che consente la risonanza magnetica (MRI) con una risoluzione sufficiente per misurare solo 10, 000 protoni in un volume di soli 125 nanometri cubi, che si avvicina al livello delle singole molecole proteiche. Tecnologie precedenti di risonanza magnetica, anche quando spinti al limite, non hanno consentito una risoluzione superiore a pochi micrometri a causa di fattori di distorsione come il rumore magnetico di fondo. La nuova tecnica dei team QuASAR, soprannominato nano-MRI, supera questa limitazione utilizzando un singolo centro di colore NV incorporato vicino alla superficie di un chip di diamante per misurare i segnali di risonanza magnetica nucleare. Può essere utilizzato per misurare il campo magnetico in un singolo punto su una struttura, oppure scansiona la superficie per visualizzare la struttura misurando più punti. Il lavoro è descritto in due documenti nel 1 febbraio, edizione 2013 di Scienza :"Risonanza magnetica nucleare su scala nanometrica con sensore di spin azoto-vacanza" e "www.sciencemag.org/content/339/6119/561"> Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare su un (5 nanometri) ³ Volume campione."

La tecnologia nano-MRI offre l'ulteriore vantaggio di lavorare a temperatura ambiente, eliminando la necessità di costose apparecchiature criogeniche. Al contrario, La risonanza magnetica tradizionale utilizza macchinari ingombranti che spesso richiedono il raffreddamento criogenico.

Il lavoro dell'Università di Stoccarda e dell'IBM su QuASAR potrebbe potenzialmente offrire una serie di futuri vantaggi e capacità mediche:

• Sostenere lo sviluppo futuro di farmaci facilitando una maggiore comprensione della struttura delle proteine.
• Abilita dettagli, mappatura tridimensionale di molecole biologiche, con sufficiente sensibilità per identificare elementi specifici. Queste informazioni potrebbero semplificare la valutazione dei farmaci inibitori contro i virus naturali e bioingegnerizzati.
• Abilita la misurazione del campo magnetico dei neuroni attivi.

"In QuASAR stiamo costruendo sensori che sfruttano l'estrema precisione e il controllo della fisica atomica. Ci auguriamo che questi nuovi strumenti di misurazione possano fornire nuove capacità alle più ampie comunità scientifiche e operative, " disse Jamil Abo-Shaeer, Responsabile del programma DARPA. "Il lavoro che questi team stanno facendo per applicare la misurazione quantistica all'imaging biologico potrebbe avvantaggiare gli sforzi del Dipartimento della Difesa per sviluppare farmaci e terapie specializzati, e potenzialmente supportare il lavoro di DARPA per capire meglio come funziona il cervello umano".

Tutti e tre gli sforzi sono stati condotti come ricerca di base. Il lavoro futuro potrebbe includere tentativi per:aumentare la sensibilità dei dispositivi di misurazione avvicinandoli ancora di più agli organismi da misurare; incorporare nano-diamanti con centri NV in cellule viventi per studi in vitro per misurare campi magnetici e temperatura; e consentire l'imaging del campo magnetico assistito da NV di biomolecole contrassegnate.