Billedbehandlingsteknik til unikke visninger af enkelte molekyler, som konventionelle metoder ikke kan matche

Bestemmelse af den nøjagtige konfiguration af proteiner og andre komplekse biologiske molekyler er et vigtigt skridt i retning af at forstå deres funktioner, herunder hvordan de binder sig til receptorer i kroppen. Men sådan billeddannelse er svær at lave. Det kræver normalt, at molekylerne krystalliseres først, så røntgendiffraktionsteknikker kan anvendes - og ikke alle sådanne molekyler kan krystalliseres.

Nu, en ny metode udviklet af forskere ved MIT kunne føre til en måde at producere billeder i høj opløsning af individuelle biomolekyler uden at kræve krystallisering, og det kunne endda tillade indzoomet billeddannelse af specifikke steder i molekylerne. Teknikken kan også anvendes til billeddannelse af andre slags materialer, herunder todimensionelle materialer og nanopartikler.

Resultaterne er rapporteret i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , i et papir af Paola Cappellaro, Esther og Harold E. Edgerton Associate Professor of Nuclear Science and Engineering ved MIT, og andre ved MIT og ved Singapore University of Technology and Design.

"Der er fordele ved at kunne se på niveau med enkelte proteinmolekyler, "Cappellaro siger, fordi det tillader billeddannelse af nogle molekyler, der ikke kan afbildes ved hjælp af den konventionelle røntgenmetode. "Der er nogle typer molekyler, såsom membranproteiner, som er ret svære at krystallisere."

Metoden bruger en type defekt i diamantkrystaller kendt som et nitrogenvacancycenter - et sted, hvor et af kulstofatomerne i krystallen er blevet erstattet af et nitrogenatom. Sådanne mangler, som kan give diamanter et lyserødt skær, gøre krystallen ekstremt følsom over for ændringer i magnetiske og elektriske felter, at gøre kvælstoftømningscentret til en effektiv detektor for sådanne variationer. Når et molekyle er tæt på krystallen, nitrogen ledige pladser nær krystaloverfladen vil reagere på de nukleare spins i det molekyle, og dette svar kan detekteres.

Men disse sensorer er blevet stærkt begrænset af samplingshastigheden af ​​de mikrobølgeimpulser, der bruges til at sondere dem. Nu, forskerholdet har fundet ud af, at denne begrænsning kan overvindes ved hjælp af en metode, de kalder "kvanteinterpolation, "hvilket forbedrer sådanne systemers opløsningsevne mere end hundrede gange, siger Cappellaro.

For at afsløre de små variationer af de magnetiske felter, der er forbundet med nogle atomer i molekylet, hvis konfiguration bliver analyseret, det er nødvendigt at observere ændringer, der finder sted inden for få picosekunder, eller billioner af et sekund. I princippet, sådanne små intervaller af tid kan løses ved hjælp af store, specialiserede instrumenter, men disse er meget dyre og ikke tilgængelige for de fleste forskere. Så Cappellaro og hendes elever, ikke har adgang til sådanne systemer, satte sig for at finde en lavere pris, enklere tilgang til at foretage sådanne observationer.

Den nye ordning ligner den måde, nogle mobiltelefonkameraer giver bedre opløsning ved at tage flere billeder af den samme scene, med lidt forskellige eksponeringer, og derefter tilføje billederne sammen. Det ligner også sofistikerede teknikker, der bruges af astronomer og NASA-forskere til at forbedre opløsningen af ​​billeder taget af planetariske rovere eller Hubble-rumteleskopet. "Vi forsøger at efterligne, hvad det menneskelige øje gør automatisk, "som er at bevæge sig konstant og opbygge detaljer gennem flere billeder af det samme område, som hjernen samler til et enkelt billede, siger Cappellaro.

I dette tilfælde, teknikken anvendes på variationer i styrken af ​​et magnetfelt, snarere end variationer i lysintensitet og farve, men de underliggende principper er ens. Og, der henviser til, at den klassiske teknik involverer at tage en række billeder og lægge dem sammen, i denne metode tager forskerne et enkelt billede, men varierer adskillelsen af ​​mikrobølgeimpulser under erhvervelsen af ​​dette billede.

Ved at anvende mikrobølgeimpulser, der er adskilt af tidsintervaller på en skala af nanosekunder - mere end 100 gange længere end den ønskede tidsopløsning - var holdet i stand til at opnå den højere opløsning, der ville være nødvendig for at få detaljerede strukturelle oplysninger om spin-tilstanden af individuelle atomer i biologiske molekyler. Dataene kan bruges til at hjælpe med at optrevle de komplekse former af nogle biologisk vigtige proteiner og andre molekyler, samt andre slags materialer.

Indtil nu, holdets proof-of-principle-eksperimenter producerede billeder af netop det nukleare spin, der var forbundet med selve sensoren - nitrogen-tomgangscentret i en diamantkrystal. Det næste skridt, som Cappellaro siger burde være inden for rækkevidde nu, hvor princippet er blevet valideret, vil være at prøve metoden på egentlige biomolekyler.

"Alle de forskellige stykker er blevet demonstreret" for at muliggøre molekylær billeddannelse, hun siger. "Så at kombinere de forskellige teknikker burde være en ligetil, selvom det er svært at nå, mål." Det næste skridt, hun siger, er at se "hvis vi kan måle et enkelt protein i dets naturlige miljø, ", som kan hjælpe med at afsløre vigtige funktioner såsom bindingssteder.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.