La configurazione nano-MRI proposta consiste in un qubit atomico posizionato 2-4 nm sotto una superficie che contiene una molecola. Il qubit funge sia da sensore che da sorgente del campo magnetico per codificare gli spin nucleari della molecola. I dati sulla densità nucleare vengono quindi utilizzati per generare un'immagine 3D della struttura molecolare con risoluzione a livello di angstrom. Credito:Perunicic et al., Comunicazioni sulla natura
(Phys.org)—Simile al modo in cui una macchina convenzionale per la risonanza magnetica (MRI) utilizza grandi magneti per generare immagini 3D, i fisici hanno sviluppato una proposta per una macchina quantistica per la nano-risonanza magnetica che utilizzerebbe le proprietà magnetiche di un singolo qubit atomico per generare immagini 3D con risoluzione a livello di angstrom (0,1 nanometri). La nuova tecnica potrebbe portare allo sviluppo di microscopi a molecola singola per l'imaging di biomolecole, con applicazioni nella scoperta di farmaci e una migliore comprensione delle malattie.
I ricercatori, guidato da Lloyd Hollenberg, professore di fisica all'Università di Melbourne, hanno pubblicato un articolo sulla nuova tecnica in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .
"I continui progressi scientifici negli ultimi decenni ci hanno permesso di comprendere e quindi curare molti problemi medici su scala macroscopica, ad esempio fratture ossee o coaguli di sangue, " ha detto l'autore principale Viktor Perunicic dell'Università di Melbourne Phys.org . "Però, le malattie che l'umanità sta affrontando oggi sono microscopiche, in quanto originano da malfunzionamenti a livello molecolare, per esempio una proteina di forma deformata da qualche parte in una cellula. Cancro, diabete, infezioni virali e molte altre hanno questo in comune, eppure al momento non c'è quasi nessun mezzo per vedere cosa sta succedendo all'interno dei nostri corpi a questo livello.
"Nel nostro lavoro, miriamo ad affrontare questo problema sviluppando un progetto per la tecnologia che possa consentire una visione visiva 3D diretta della struttura atomica delle singole molecole nel loro ambiente cellulare. Raggiungiamo questo obiettivo sfruttando la tecnologia di calcolo quantistico in un concetto che porta la risonanza magnetica su scala atomica".
Il sistema di imaging proposto consiste in un qubit atomico posizionato a circa 2 nanometri sotto una superficie che contiene la molecola da acquisire. Il qubit funge sia da sorgente che da sensore di campi magnetici, con le sue proprietà magnetiche quantistiche (il suo spin) che interagisce con le proprietà magnetiche degli atomi nella molecola bersaglio. Raccogliendo dati su queste interazioni con vari orientamenti, il sistema potrebbe determinare le posizioni dei singoli atomi e costruire un'immagine 3D della struttura della molecola bersaglio.
Gli scienziati hanno simulato la nuova tecnica utilizzando una molecola di rapamicina (C 51 h 79 NO 13 ), un farmaco immunosoppressore comunemente usato per prevenire il rigetto del trapianto di organi. Nelle tecniche di imaging convenzionali, come la cristallografia a raggi X, è difficile rilevare gli atomi di idrogeno. Ma misurando la densità di spin nucleare dell'idrogeno, il metodo nano-MRI può generare immagini 3D degli atomi di idrogeno, così come gli atomi di carbonio, con una risoluzione dell'immagine media a livello di angstrom.
La densità nucleare della molecola bersaglio viene trasformata in un'immagine 3D della densità nucleare di atomi di idrogeno e carbonio. Le posizioni atomiche vengono estratte direttamente dai dati dell'immagine di densità. Credito:Perunicic et al., Comunicazioni sulla natura
"La capacità di visualizzare la struttura atomica delle molecole nei loro ambienti cellulari nativi è vitale sia per comprendere l'origine della malattia che per trovarne la cura, "Hollenberg ha detto. "Per esempio, nella ricerca e sperimentazione di nuovi farmaci si dovrebbe prima identificare un bersaglio, spesso una proteina di membrana. L'imaging della vera struttura della proteina nell'ambiente cellulare è la chiave per comprendere come le molecole dei farmaci interagiranno con essa. Sulla base di queste informazioni, una molecola di farmaco potrebbe essere selezionata o progettata. È importante sottolineare che lo stesso dispositivo di imaging fornirebbe i mezzi per comprendere e testare l'efficacia del farmaco, osservando le sue interazioni con la molecola bersaglio a livello atomico. Il nostro obiettivo è sviluppare una tecnologia versatile per osservare la struttura atomica biochimica attualmente inaccessibile di importanti molecole in situ, in modo analogo a come le macchine per la risonanza magnetica ospedaliera osservano l'anatomia dei nostri corpi".
A causa della grande quantità di dati coinvolti, le simulazioni mostrano che il tempo totale per generare un'immagine della molecola della rapamicina è attualmente di circa 175 ore. Però, i ricercatori si aspettano che i futuri miglioramenti ridurranno notevolmente questo tempo, oltre ad aumentare ulteriormente la risoluzione. Nel futuro, hanno anche in programma di ampliare la progettazione del sistema per l'imaging di biomolecole più grandi.
"Finora il nostro lavoro si è concentrato sulle basi teoriche fondamentali, capire come costruire fisicamente il dispositivo con la tecnologia attualmente accessibile, "Peronicic ha detto. "Stiamo sviluppando l'intricato controllo della meccanica quantistica che fornirebbe la capacità di visualizzare le singole molecole, e stanno anche eseguendo simulazioni per testare le prestazioni in condizioni realistiche. Poiché i risultati di queste indagini sono stati incoraggianti, la direzione naturale per i prossimi due anni è avventurarsi in dimostrazioni sperimentali di proof-of-concept."
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