Det første magnetiske resonansmikroskop har menneskelig biokemi i sigte

Magnetisk resonansbilleddannelse er et af den moderne videnskabs mirakler. Den producerer ikke-invasive 3D-billeder af kroppen ved hjælp af harmløse magnetfelter og radiobølger. Og med et par ekstra tricks kan den også afsløre detaljer om den biokemiske sammensætning af væv.

Det biokemiske trick kaldes magnetisk resonansspektroskopi, og det er et stærkt værktøj for læger og forskere, der studerer kroppens biokemi, herunder metaboliske ændringer i tumorer i hjernen og i musklerne.

Men denne teknik er ikke perfekt. Opløsningen af ​​magnetisk resonansspektroskopi er begrænset til længdeskalaer på omkring 10 mikrometer. Og der er en verden af ​​kemisk og biologisk aktivitet i mindre skalaer, som videnskabsmænd simpelthen ikke kan få adgang til på denne måde.



Så læger og forskere ville meget elske at have et magnetisk resonansmikroskop, der kan studere kropsvæv og de biokemiske reaktioner i det i meget mindre skalaer.

I dag siger David Simpson og venner ved University of Melbourne i Australien, at de har bygget et magnetisk resonansmikroskop med en opløsning på kun 300 nanometer, der kan studere biokemiske reaktioner på hidtil ufattelige skalaer. Deres vigtigste gennembrud er en eksotisk diamantsensor, der skaber magnetiske resonansbilleder på samme måde som en lysfølsom CCD-chip i et kamera.

Magnetisk resonansbilleddannelse virker ved at placere en prøve i et magnetfelt så kraftigt, at atomkernerne alle bliver justeret; med andre ord, de spinder alle på samme måde. Når disse kerner er zappet med radiobølger, bliver kernerne ophidsede og udsender derefter radiobølger, mens de slapper af. Ved at studere mønstret af genudsendte radiobølger er det muligt at regne ud, hvor de er kommet fra og dermed opbygge et billede af prøven.

Signalerne afslører også, hvordan atomerne er bundet til hinanden og de biokemiske processer, der virker. Men opløsningen af ​​denne teknik er begrænset af, hvor tæt radiomodtageren kan komme til prøven.

Indtast Simpson og co, som har bygget en helt ny slags magnetisk resonanssensor ud af diamantfilm. Den hemmelige sauce i denne sensor er en række nitrogenatomer, der er blevet indlejret i en diamantfilm i en dybde på omkring syv nanometer og omkring 10 nanometer fra hinanden.

Nitrogenatomer er nyttige, fordi når de er indlejret i diamant, kan de få dem til at fluorescere. Og når de er i et magnetfelt, er farven, de producerer, meget følsom over for spin af atomer og elektroner i nærheden eller med andre ord over for det lokale biokemiske miljø.

Så i den nye maskine placerer Simpson og co deres prøve oven på diamantsensoren i et kraftigt magnetfelt og zapper det med radiobølger. Enhver ændring i tilstanden af ​​nærliggende kerner får nitrogenarrayet til at fluorescere i forskellige farver. Og rækken af ​​nitrogenatomer producerer en slags billede, ligesom en lysfølsom CCD-chip. Det eneste, Simpson og co gør, er at overvåge dette fyrværkeri for at se, hvad der sker.

For at sætte den nye teknik igennem, studerer Simpson og co adfærden af ​​hexaaqua kobber(2+)-komplekser i vandig opløsning. Hexaaqua kobber er til stede i mange enzymer, som bruger det til at inkorporere kobber i metalloproteiner. Imidlertid er fordelingen af ​​kobber under denne proces, og den rolle det spiller i cellesignalering, dårligt forstået, fordi det er umuligt at visualisere in vivo.

Simpson og co viser, hvordan dette nu kan gøres ved hjælp af deres nye teknik, som de kalder kvantemagnetisk resonansmikroskopi. De viser, hvordan deres nye sensor kan afsløre den rumlige fordeling af kobber 2+ ioner i volumener på blot nogle få attoLiter og i høj opløsning. Vi demonstrerer billedopløsning ved diffraktionsgrænsen (~300 nm) med spin-følsomheder i zeptomol-området (10-21), siger Simpson og co. De viser også, hvordan teknikken afslører de redoxreaktioner, som ionerne gennemgår. Og de gør alt dette ved stuetemperatur.

Det er imponerende arbejde, der har vigtige konsekvenser for det fremtidige studie af biokemi. Arbejdet viser, at kvanteregistreringssystemer kan rumme det fluktuerende Brownske miljø, man støder på i 'rigtige' kemiske systemer og de iboende fluktuationer i spin-miljøet af ioner, der gennemgår ligand-omlejring, siger Simpson og co.

Det gør det til et stærkt nyt værktøj, der kan ændre den måde, vi forstår biologiske processer på. Simpson og co er optimistiske med hensyn til dets potentiale. Kvantemagnetisk resonansmikroskopi er ideel til at undersøge fundamental biokemi på nanoskala, såsom bindingsbegivenheder på cellemembraner og den intracellulære overgangsmetalkoncentration i periplasma af prokaryote celler.

Ref: arxiv.org/abs/1702.04418 : Kvantemagnetisk resonansmikroskopi

skjule