Kvantesensor med forbedret opløsning kan nu identificere individuelle atomer i biomolekyler

Kernemagnetiske resonansscannere, som man kender fra sygehusene, er nu ekstremt følsomme. En kvantesensor udviklet af et team ledet af professor Jörg Wrachtrup ved universitetet i Stuttgart og forskere ved Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, gør det nu muligt at bruge nuklear magnetisk resonansscanning til selv at undersøge strukturen af ​​individuelle proteiner atom for atom. I fremtiden, metoden kunne hjælpe med at diagnosticere sygdomme på et tidligt tidspunkt ved at opdage de første defekte proteiner.

Mange sygdomme har deres oprindelse i defekte proteiner. Da proteiner er vigtige biokemiske motorer, defekter kan føre til forstyrrelser i stofskiftet. Defekte prioner, som forårsager hjerneskade ved BSE og Creutzfeldt-Jakobs sygdom, er et eksempel. Patologisk ændrede prioner har defekter i deres komplekse molekylære struktur. Problemet:individuelle defekte proteiner kan ligeledes fremkalde defekter i tilstødende intakte proteiner via en slags dominoeffekt og dermed udløse en sygdom. Det ville derfor være meget nyttigt, hvis lægerne kunne opdage den første, stadig individuelle prioner med den forkerte struktur. Det har, imidlertid, ikke hidtil været muligt at belyse strukturen af ​​et enkelt biomolekyle.

I en artikel offentliggjort i Videnskab , et team af forskere fra Stuttgart har nu præsenteret en metode, som i fremtiden kan bruges til pålidelig undersøgelse af individuelle biomolekyler. Dette er vigtigt ikke kun for at bekæmpe sygdomme, men også til kemisk og biokemisk grundforskning.

Metoden indebærer miniaturisering af kernemagnetisk resonanstomografi (NMR) kendt fra medicinsk teknik, som normalt kaldes MR-scanning på det medicinske område. NMR gør brug af en særlig egenskab ved atomerne - deres spin. Enkelt sagt, spin kan opfattes som rotation af atomkerner og elektroner om deres egen akse, forvandler partiklerne til små, drejestangsmagneter. Hvordan disse magneter opfører sig er karakteristisk for hver type atom og hvert kemisk element. Hver partikel svinger således med en bestemt frekvens.

I medicinske applikationer, det er normalt, at der kun findes én type atom i kroppen – brint, for eksempel. Brintindholdet i de forskellige væv gør det muligt at skelne kroppens indre ved hjælp af forskellige kontraster.

Strukturel opløsning på atomniveau

Når man belyser strukturen af ​​biomolekyler, på den anden side, hvert enkelt atom skal bestemmes og biomolekylets struktur derefter dechifreres stykke for stykke. Det afgørende aspekt her er, at NMR-detektorerne er så små, at de opnår opløsning i nanometerskala og er så følsomme, at de kan måle individuelle molekyler nøjagtigt. Det er mere end fire år siden, at forskerne, der arbejder med Jörg Wrachtrup, første gang designede en så lille NMR-sensor; det gjorde det ikke, imidlertid, give dem mulighed for at skelne mellem individuelle atomer.

For at opnå opløsning på atomniveau, forskerne skal kunne skelne mellem de frekvenssignaler, de modtager fra de enkelte atomer i et molekyle – på samme måde som en radio identificerer en radiostation ved hjælp af dens karakteristiske frekvens. Frekvenserne af de signaler, der udsendes af et proteins atomer, er de frekvenser, hvor atomstangmagneterne i proteinet spinder. Disse frekvenser er meget tæt på hinanden, som om radiostationernes sendefrekvenser alle forsøgte at presse sig ind i en meget smal båndbredde. Det er første gang, forskerne i Stuttgart har opnået en frekvensopløsning, hvormed de kan skelne individuelle typer atomer.

"Vi har udviklet den første kvantesensor, der kan detektere frekvenserne af forskellige atomer med tilstrækkelig præcision og dermed opløse et molekyle næsten i dets individuelle atomer, " siger Jörg Wrachtrup. Det er således nu muligt at scanne et stort biomolekyle, som det var. Sensoren, der fungerer som en minut NMR-antenne, er en diamant med et nitrogenatom indlejret i dets kulstofgitter tæt på krystallens overflade. Fysikerne kalder stedet for nitrogenatomet for NV-centret:N for nitrogen og V for ledig plads, som refererer til en manglende elektron i diamantgitteret direkte ved siden af ​​nitrogenatomet. Et sådant NV-center detekterer det nukleare spin af atomer placeret tæt på dette NV-center.

Enkel, men meget præcis

Spin-frekvensen af ​​det magnetiske moment af et atom, som netop er blevet målt, overføres til det magnetiske moment i NV-centret, som kan ses med et særligt optisk mikroskop som en farveændring.

Kvantesensoren opnår så høj følsomhed, da det kan lagre frekvenssignaler fra et atom. En enkelt måling af et atoms frekvens ville være for svag for kvantesensoren og muligvis for støjende. Hukommelsen gør det muligt for sensoren at gemme mange frekvenssignaler over en længere periode, imidlertid, og dermed indstille sig meget præcist på et atoms svingningsfrekvens – på samme måde som en højkvalitets kortbølgemodtager tydeligt kan opløse radiokanaler, som ligger meget tæt på hinanden.

Denne teknologi har andre fordele ud over dens høje opløsning:den fungerer ved stuetemperatur og, i modsætning til andre højfølsomme NMR-metoder, der anvendes i biokemisk forskning, det kræver ikke et vakuum. I øvrigt, disse andre metoder fungerer generelt tæt på det absolutte nulpunkt - minus 273,16 grader Celsius - hvilket nødvendiggør kompleks afkøling med helium.

Fremtidigt anvendelsesområde:hjerneforskning

Jörg Wrachtrup ser ikke ét, men flere fremtidige anvendelsesområder for sine højopløselige kvantesensorer. "Det er tænkeligt, at i fremtiden, det vil være muligt at påvise individuelle proteiner, der har gennemgået en mærkbar ændring i det tidlige stadie af en sygdom, og som hidtil er blevet overset." Wrachtrup samarbejder med en industrivirksomhed om en lidt større kvantesensor, som i fremtiden kan bruges til at detektere hjernens svage magnetfelter. "Vi kalder denne sensor hjernelæseren. Vi håber, den vil hjælpe os med at tyde, hvordan hjernen fungerer - og den ville være et godt supplement til de konventionelle elektriske apparater, der stammer fra EEG" - elektroencefalogrammet. For hjernelæseren, Wrachtrup arbejder allerede sammen med sin industrielle partner på en holder og et kabinet, så enheden er nem at bære og betjene i hverdagen. For at nå dette punkt, imidlertid, det vil tage mindst yderligere ti års forskning.