Forskere har udviklet et nyt værktøj til at afbilde liv på nanoskala

Australske forskere har udviklet et nyt værktøj til at afbilde liv på nanoskala, som vil give ny indsigt i overgangsmetalioners rolle som kobber i neurodegenerative sygdomme.

I et nyt blad offentliggjort i dag i Naturkommunikation , et team af forskere ved University of Melbourne afslører en "kvantekænguru", der demonstrerer en måde at detektere og afbilde elektroniske spins non-invasivt med omgivende følsomheder og opløsningsstørrelser, der aldrig før er opnået. Gennembruddet vil give læger og forskere et nyt værktøj til at undersøge, hvilken rolle overgangsmetalioner spiller i biologi og sygdom.

Elektron spin resonans (ESR) teknikker har været en grundpille i forståelsen af ​​biokemiske processer i biologiske systemer. Alligevel har ESR ikke set den hurtige vækst sammenlignet med sin søsterteknologi, kernemagnetisk resonans, som nu er en moden teknologi, der bruges til magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) til at se ind i kroppen.

Både ESR og NMR anvender et magnetfelt på billedmolekyler, men i modsætning til NMR, ESR kan afsløre biokemi relateret til metalioner og frie radikaler. Udfordringen er, at i biologiske systemer er den påviselige koncentration af elektronspin mange størrelsesordener lavere end nukleare spins. Derfor, vejspærringen for udviklingen af ​​ESR-baserede billeddannelsesteknikker har været den nødvendige følsomhed - typisk har milliarder af elektroniske spins været nødvendige for at generere et tilstrækkeligt signal til vellykket billeddannelse.

Indtast:kvanteteknologi. Et hold ledet af professor Lloyd Hollenberg har brugt et specielt konstrueret array af kvanteprober i diamant til at demonstrere ikke-invasiv ESR-billeddannelse med subcellulær opløsning. Bemærkelsesværdigt, systemet er i stand til at afbilde og udspørge meget små områder, der kun indeholder nogle få tusinde elektronspin.

"Den sanse- og billedteknologi, vi udvikler, gør os i stand til at se livet på helt nye måder, med større følsomhed og opløsning afledt af de fundamentale interaktioner mellem prøve og sonde på kvantemekanisk niveau, sagde Hollenberg, der er vicedirektør for Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) og Thomas Baker Chair ved University of Melbourne.

"Denne dramatiske forbedring af ESR-billeddannelsesteknologi er en spændende udvikling og en klar demonstration af, hvordan kvanteteknologi kan bruges til at øge signalfølsomheden og give løsninger på langvarige problemer, for eksempel at undersøge menneskelig biokemi i endnu finere skalaer."

At skalere ESR-teknologi ned til sub-mikron opløsning har været udfordrende, fordi en sådan reduktion i rumlig opløsning kræver væsentligt bedre følsomhed. Imidlertid, det er netop, hvad kvanteprober tilbyder - høj følsomhed med høj rumlig opløsning.

Ved at generere en række kvantesonder i diamant, ved hjælp af materialets unikke nitrogen-vacancy farvecenter, det tværfaglige forskerhold var i stand til at afbilde og detektere elektroniske spinarter ved lysets diffraktionsgrænse, 300 nanometer. Kritisk, sensorteknologien er i stand til at give spektroskopisk information om den særlige kilde til elektroniske spins, der afbildes.

Dr David Simpson, hovedforfatter og co-head of sansing og billeddannelse ved Center for Neural Engineering sagde, at teknologien kan give ny indsigt i den rolle, overgangsmetalioner spiller i biologi.

"Overgangsmetalioner er impliceret i flere neurodegenerative sygdomme, imidlertid, lidt er kendt om deres koncentration og oxidationstilstand i levende celler, " han sagde.

"Vi sigter mod at tilpasse denne nye form for sansning for at begynde at undersøge sådanne effekter i en række biologiske systemer."

En af de unikke fordele ved kvantebaseret sensing er, at den ikke forstyrrer prøven, der afbildes. Andre tilgange er afhængige af fluorescerende molekyler, der binder til bestemte mål af interesse. Selvom disse tilgange er artsspecifikke, de ændrer funktionaliteten og tilgængeligheden af ​​den målart, der afbildes.

Ph.d.-studerende og medforfatter på papiret Robert Ryan forklarede teknikken.

"Vores teknik er afhængig af passiv, ikke-invasiv påvisning af elektroniske spins ved at observere deres interaktion med kvanteprobe-arrayet, " sagde Ryan.

"Ved omhyggeligt at indstille en ekstern magnet til resonans med kvanteproberne, vi er i stand til at lytte til den magnetiske støj, der skabes af prøvens elektroniske spins. Forskellige elektroniske spinarter har forskellige resonansbetingelser; Derfor er vi i stand til at detektere og afbilde forskellige elektroniske spin-mål."

En nøgle til arbejdets succes var samarbejde mellem teammedlemmerne, som blev hentet fra forskellige forskningscentre på tværs af universitetet.

"Det tværfaglige aspekt af denne forskning hjalp med at rykke grænserne for, hvad der er muligt, " sagde professor Paul Mulvaney, medforfatter og direktør for Center for Exciton Science i School of Chemistry ved University of Melbourne.

"Fra et kemiperspektiv, det er overraskende at se, at et skrøbeligt kvantesystem kan rumme det fluktuerende miljø, man støder på i "rigtige" kemiske systemer og de iboende fluktuationer i miljøet af ioner, der gennemgår ligand-omlejring. Den komplementære ekspertise indenfor kemi, fysik og neurovidenskab har ført til dette fremskridt."