MRT virusams

Magnetinio rezonanso tomografija arba MRT yra medicinos ir neurologijos tyrimų pagrindas. Jis gali neinvaziškai ištirti giliai audinių viduje ir suteikti informacijos apie konkrečių cheminių medžiagų buvimą. Tačiau kadangi magnetinės jėgos, kurias jis aptinka, yra labai mažos, MRT nėra labai jautrus: jis paprastai atskleidžia struktūras nuo milimetro iki submilimetro skalėje.

Nano adata: Ant šios nano dydžio silicio konsolės galo pritvirtintas nedidelis tabako mozaikos viruso mėginys. Kai mėginyje esantys vandenilio branduoliai sąveikauja su šalia esančiu magnetu, konsolė šiek tiek vibruoja. Stebėdami šias vibracijas lazeriu, mokslininkai gali sukurti 3D virusų vaizdą. Šis metodas, vadinamas magnetinio rezonanso jėgos mikroskopija, yra labai sumažinta MRT versija.

Dabar tyrinėtojai IBM Almaden tyrimų centras , Kalifornijoje, sukūrė MRT skaitytuvą, kurio skiriamoji geba yra 100 milijonų kartų geresnė nei ši – pakankamai gera atskiroms viruso dalelėms vaizduoti. Tolesniais patobulinimais šią techniką vieną dieną būtų galima panaudoti atskirų molekulių trimačiams vaizdams generuoti.

Svajonė pavaizduoti vieną molekulę yra kažkas, kas neleidžia chemikams miegoti naktimis, sakoma Džonas Maronas , Kornelio universiteto chemijos ir cheminės biologijos docentas. Jei turėtumėte šį įrankį, nėra pabaigos dalykų, kuriuos galėtumėte su juo padaryti, ir nesibaigia gėris, kuris iš to ateitų.

MRT naudojamas faktas, kad kai kurių elementų, pavyzdžiui, vandenilio, branduoliai veikia kaip maži magnetai. Kai veikia išorinis magnetinis laukas, šie branduoliai sukasi aplink lauko kryptį būdingais dažniais, generuodami nedidelius magnetinius svyravimus. Įprastame MRT skaitytuve elektrinė ritė aptinka šiuos svyravimus ir naudoja juos vandenilio branduolių erdviniam pasiskirstymui nustatyti, generuojant nuskaityto audinio vaizdą.

Kadangi MRT taip gerai sukuria vidinių struktūrų trimačius vaizdus, ​​mokslininkai norėtų jį panaudoti daug mažesniems biologiniams mėginiams, pavyzdžiui, atskiriems baltymams, vaizduoti. Tačiau aptikimo ritės mastelis nėra labai geras – kuo mažesnė ritė, tuo mažesnis jautrumas, todėl mažesni mėginiai ir geresnė skiriamoji geba nepatenka į įprastinio MRT taikymo sritį.

Naujasis IBM sukurtas skaitytuvas naudoja naują technologiją, vadinamą magnetinio rezonanso jėgos mikroskopija (MRFM). MRFM apeina MRT apribojimus naudodamas fizinį, o ne elektrinį detektorių, kad užfiksuotų mažas magnetines jėgas, kurias sukuria besisukantys branduoliai.

Tai daug jautresnis būdas aptikti magnetizmą iš branduolių, sako Danas Rugaras, IBM Almaden tyrimų centro nanoskalės tyrimų vadovas ir komandos, sukūrusios naują įrenginį, vadovas.

Rugaras ir jo kolegos uždeda pavyzdį, kuris turi būti vaizduojamas, ant mažytės, išskirtinai jautrios silicio konsolės galo. Netoli antgalio yra labai mažas magnetas. Naudodami mikroskopinę vielą, mokslininkai sukuria svyruojantį magnetinį lauką, dėl kurio mėginyje esantys vandenilio branduoliai sukasi pirmyn ir atgal, pritraukdami ir atstumdami magnetą. Susidariusios fizinės vibracijos konsolėje aptinkamos lazeriu ir naudojamos vaizdui sukurti.

Miniatiūrinis MRT: IBM sukurto nuskaitymo įrenginio schema. Mėginys dedamas ant itin jautraus silicio konsolės galo ir šalia mažyčio magnetinio antgalio. Mikrolaidelis sukuria svyruojantį magnetinį lauką, dėl kurio vandenilio branduoliai plonoje mėginio dalyje – rezonansinėje pjūvėje – apsiverčia pirmyn ir atgal, pritraukdami ir atstumdami magnetinį galiuką. Dėl to konsolė šiek tiek vibruoja. Šios vibracijos matuojamos lazeriniu inferometru ir paverčiamos 3D mėginio vaizdu.

Virpesinis laukas yra tiksliai sureguliuotas taip, kad reaguotų tik labai mažoje mėginio skiltyje, vadinamoje rezonansiniu pjūviu, esantys branduoliai. Nuskaitydami magnetą trimačiu modeliu, mokslininkai gali perkelti rezonansinį pjūvį visame mėginyje. Būtent šis tikslumas leidžia įrenginiui sukurti tokios didelės raiškos vaizdą.

Kitos didelės raiškos vaizdo gavimo formos, tokios kaip skenuojanti tunelinė mikroskopija ir atominės jėgos mikroskopija, gali matyti tik medžiagos paviršių. Dėl rezonansinio pjūvio MRFM gali giliai prasiskverbti į mėginį, sudarydamas 3D jo vidinės struktūros vaizdą.

MRFM pirmą kartą atsirado dešimtojo dešimtmečio pradžioje, o IBM buvo nuolatinis šios srities lyderis. 2004 m. atliktame reikšmingame eksperimente Rugaras ir jo kolegos panaudojo technologiją vieno elektrono sukimuisi aptikti. Visai neseniai jie sukūrė nebiologinio mėginio vaizdus, ​​kurių skiriamoji geba yra net 90 nanometrų – daug geresnė nei įprasta MRT, bet nėra pakankamai jautri, kad modeliuotų atskiras biologines struktūras.

Dabar, po daugelio metų kruopštaus laipsniško pažangos, Rugaro komanda pasiekė biologinio mėginio vaizdavimą nanometro raiška. Komanda pasirinko naudoti tvirtą, gerai suprantamą tabako mozaikos virusą kaip koncepcijos įrodymą ir pamatė net keturių nanometrų detales. .

Tai iš tikrųjų pirmas kartas, kai ši technika buvo naudojama biologiniam mėginiui, sako Rugar. Norėjome parodyti, kad tai tikrai gali susidoroti su biologija, nes juk tai yra mūsų bendras tikslas.

Šis sėkmingas eksperimentas atveria duris įvairioms biologinėms reikmėms, sako Rugaras. Visų pirma, jis norėtų sugebėti atvaizduoti atskirus baltymus, kad nustatytų jų vidinę trimatę struktūrą.

Jūsų kūne yra tūkstančiai baltymų, kurių struktūra nėra žinoma, nes nėra technikos jų struktūrai nustatyti, sako Rugaras. Šiuo metu auksinis baltymų struktūros sprendimo standartas yra rentgeno kristalografija, kuri apsiriboja baltymais, kurie gali būti kristalizuoti.

Nano-MRI skaitytuvui šis apribojimas nebūtų taikomas. Teoriškai, toliau patobulinus skiriamąją gebą, būtų galima ištirti natūralius baltymus, greitai juos užšaldant. MRFM turi būti atliekamas labai žemoje temperatūroje – vos viršijant absoliutų nulį – siekiant sumažinti šiluminių virpesių keliamą triukšmą.

Tikroji to reikšmė yra ta, kad tai rodo, kad MRFM ribos nepasiektos ir jie vis dar ruošiasi sukurti atominį vaizdą. Džonatanas Džekis , Vašingtono universiteto mokslininkas. Atominio masto vaizdo aparatas būtų vienas reikšmingiausių kada nors sukurtų mokslinių instrumentų. Jis būtų tame pačiame lygyje kaip teleskopas ar šviesos mikroskopas. Štai kas čia tikrai žavi.

paslėpti