Pirmasis magnetinio rezonanso mikroskopas – žmogaus biochemija

Magnetinio rezonanso tomografija yra vienas iš šiuolaikinio mokslo stebuklų. Jis sukuria neinvazinius 3-D kūno vaizdus, ​​​​naudojant nekenksmingus magnetinius laukus ir radijo bangas. Ir naudojant keletą papildomų gudrybių, jis taip pat gali atskleisti audinių biocheminės sandaros detales.

Tas biocheminis triukas vadinamas magnetinio rezonanso spektroskopija ir yra galingas įrankis gydytojams ir mokslininkams, tyrinėjantiems organizmo biochemiją, įskaitant navikų metabolinius pokyčius smegenyse ir raumenyse.

Tačiau ši technika nėra tobula. Magnetinio rezonanso spektroskopijos skiriamoji geba apsiriboja maždaug 10 mikrometrų ilgio skalėmis. Ir yra mažesnio masto cheminio ir biologinio aktyvumo pasaulis, kurio mokslininkai tiesiog negali pasiekti tokiu būdu.

Taigi gydytojai ir mokslininkai labai norėtų turėti magnetinio rezonanso mikroskopą, galintį tirti kūno audinius ir jame vykstančias biochemines reakcijas daug mažesniu mastu.

Šiandien Davidas Simpsonas ir draugai iš Melburno universiteto Australijoje teigia sukūrę vos 300 nanometrų skiriamosios gebos magnetinio rezonanso mikroskopą, galintį tirti biochemines reakcijas anksčiau neįsivaizduojamomis mastelėmis. Pagrindinis jų laimėjimas yra egzotiškas deimantinis jutiklis, kuris sukuria magnetinio rezonanso vaizdus panašiai kaip šviesai jautrus CCD lustas fotoaparate.

Magnetinio rezonanso tomografija veikia mėginį patalpinus į tokį galingą magnetinį lauką, kad visi atomų branduoliai išsirikiuoja; kitaip tariant, jie visi sukasi vienodai. Kai šie branduoliai sujungiami radijo bangomis, branduoliai susijaudina ir atsipalaiduodami skleidžia radijo bangas. Ištyrus pakartotinai skleidžiamų radijo bangų modelį, galima išsiaiškinti, iš kur jos atkeliavo, ir taip susidaryti pavyzdžio vaizdą.

Signalai taip pat atskleidžia, kaip atomai yra sujungti vienas su kitu, ir vykstančius biocheminius procesus. Tačiau šios technikos skiriamąją gebą riboja tai, kaip arti radijo imtuvas gali pasiekti pavyzdį.

Įeikite į Simpsonas ir bendradarbiai, kurie iš deimantinės plėvelės sukūrė visiškai naujo tipo magnetinio rezonanso jutiklį. Slaptas šio jutiklio padažas yra azoto atomų rinkinys, įterptas į deimantinę plėvelę maždaug septynių nanometrų gylyje ir maždaug 10 nanometrų atstumu vienas nuo kito.

Azoto atomai yra naudingi, nes įterpti į deimantą jie gali fluorescuoti. O esant magnetiniame lauke, jų sukuriama spalva yra labai jautri šalia esančių atomų ir elektronų sukimuisi arba, kitaip tariant, vietinei biocheminei aplinkai.

Taigi naujajame aparate Simpsonas ir bendradarbiai deda savo pavyzdį ant deimantinio jutiklio, į galingą magnetinį lauką ir suplaka jį radijo bangomis. Bet kokie netoliese esančių branduolių būklės pokyčiai sukelia azoto matricos fluorescenciją įvairiomis spalvomis. Ir azoto atomų masyvas sukuria savotišką vaizdą, kaip ir šviesai jautrus CCD lustas. Simpson ir bendradarbiai tik stebi šį fejerverką, kad pamatytų, kas vyksta.

Siekdami pritaikyti naują techniką, Simpsonas ir bendradarbiai tiria heksaakvo vario (2+) kompleksų elgseną vandeniniame tirpale. Hexaaqua vario yra daugelyje fermentų, kurie jį naudoja variui įtraukti į metaloproteinus. Tačiau vario pasiskirstymas šio proceso metu ir jo vaidmuo perduodant ląsteles yra menkai suprantamas, nes jo neįmanoma vizualizuoti in vivo.

Simpsonas ir bendradarbiai parodo, kaip tai dabar galima padaryti naudojant naują techniką, kurią jie vadina kvantinio magnetinio rezonanso mikroskopija. Jie parodo, kaip naujasis jutiklis gali atskleisti vario 2+ jonų erdvinį pasiskirstymą vos kelių attolitrų tūryje ir esant didelei skyrai. Mes demonstruojame vaizdo skiriamąją gebą esant difrakcijos ribai (~ 300 nm), kai sukimosi jautrumas yra zeptomolio (10–21) diapazone, sako Simpsonas ir kt. Jie taip pat parodo, kaip ši technika atskleidžia redokso reakcijas, kurias patiria jonai. Ir visa tai jie daro kambario temperatūroje.

Tai įspūdingas darbas, turintis svarbių pasekmių būsimam biochemijos tyrimui. Darbas rodo, kad kvantinės jutimo sistemos gali prisitaikyti prie svyruojančios Browno aplinkos, su kuria susiduriama „tikrosiose“ cheminėse sistemose, ir būdingus jonų sukimosi aplinkos svyravimus, kuriems vyksta ligandų pertvarkymas, sako Simpsonas ir kt.

Dėl to tai yra galingas naujas įrankis, galintis pakeisti mūsų biologinių procesų supratimą. Simpsonas ir bendradarbiai optimistiškai vertina jos potencialą. Kvantinio magnetinio rezonanso mikroskopija idealiai tinka pagrindinei nanoskalės biochemijai, pvz., surišimo įvykiams ant ląstelių membranų ir tarpląstelinio pereinamojo metalo koncentracijai prokariotinių ląstelių periplazmoje, tirti.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1702.04418 : kvantinio magnetinio rezonanso mikroskopija

paslėpti