Forbedret NMR afslører kemiske strukturer på en brøkdel af tiden

MIT -forskere har udviklet en måde til dramatisk at øge følsomheden af ​​nuklear magnetisk resonansspektroskopi (NMR), en teknik, der bruges til at studere strukturen og sammensætningen af ​​mange slags molekyler, herunder proteiner knyttet til Alzheimers og andre sygdomme.

Ved at bruge denne nye metode, videnskabsfolk burde i løbet af få minutter kunne analysere strukturer, der tidligere ville have taget år at dechifrere, siger Robert Griffin, Arthur Amos Noyes professor i kemi. Den nye tilgang, som er afhængig af korte impulser af mikrobølgeeffekt, kunne give forskere mulighed for at bestemme strukturer for mange komplekse proteiner, som har været svære at studere indtil nu.

"Denne teknik bør åbne omfattende nye områder inden for kemiske, biologisk, materialer, og medicinsk videnskab, der i øjeblikket er utilgængelig, "siger Griffin, den seniorforfatter af undersøgelsen.

MIT postdoc Kong Ooi Tan er hovedforfatter af papiret, som vises i Videnskaber Fremskridt den 18. januar. Tidligere MIT postdocs Chen Yang og Guinevere Mathies, og Ralph Weber fra Bruker BioSpin Corporation, er også forfattere til papiret.

Forbedret følsomhed

Traditionel NMR bruger atomkernenes magnetiske egenskaber til at afsløre strukturerne af molekylerne, der indeholder disse kerner. Ved at bruge et stærkt magnetfelt, der interagerer med nukleare centrifugeringer af hydrogen og andre isotopisk mærkede atomer, såsom kulstof eller nitrogen, NMR måler en egenskab kendt som kemisk skift for disse kerner. Disse skift er unikke for hvert atom og tjener således som fingeraftryk, som yderligere kan udnyttes til at afsløre, hvordan disse atomer er forbundet.

Følsomheden af ​​NMR afhænger af atomernes polarisering - en måling af forskellen mellem populationen af ​​"op" og "ned" atomspin i hvert spin -ensemble. Jo større polarisering, jo større følsomhed kan der opnås. Typisk, forskere forsøger at øge polariseringen af ​​deres prøver ved at anvende et stærkere magnetfelt, op til 35 tesla.

En anden tilgang, som Griffin og Richard Temkin fra MIT's Plasma Science and Fusion Center har udviklet i løbet af de sidste 25 år, forbedrer polarisationen yderligere ved hjælp af en teknik kaldet dynamisk nuklear polarisering (DNP). Denne teknik indebærer overførsel af polarisering fra de uparrede elektroner af frie radikaler til brint, kulstof, nitrogen, eller fosforkerner i prøven, der undersøges. Dette øger polarisationen og gør det lettere at opdage molekylets strukturelle træk.

DNP udføres normalt ved kontinuerlig bestråling af prøven med højfrekvente mikrobølger, ved hjælp af et instrument kaldet en gyrotron. Dette forbedrer NMR-følsomheden med cirka 100 gange. Imidlertid, denne metode kræver meget strøm og fungerer ikke godt ved højere magnetfelter, der kan tilbyde endnu større opløsningsforbedringer.

For at overvinde det problem, MIT -teamet fandt på en måde at levere korte pulser af mikrobølgestråling, i stedet for kontinuerlig mikrobølgeeksponering. Ved at levere disse pulser med en bestemt frekvens, de var i stand til at forstærke polarisationen med en faktor på op til 200. Dette svarer til den forbedring, der opnås med traditionel DNP, men det kræver kun 7 procent af strømmen, og i modsætning til traditionel DNP, det kan implementeres ved højere magnetfelter.

"Vi kan overføre polarisationen på en meget effektiv måde, ved effektiv brug af mikrobølgestråling, "Tan siger." Med kontinuerlig bølgestråling, du sprænger bare mikrobølgeeffekt, og du har ingen kontrol over faser eller pulslængde. "

Sparer tid

Med denne forbedring i følsomhed, prøver, der tidligere ville have taget næsten 110 år at analysere, kunne undersøges på en enkelt dag, siger forskerne. I Videnskaber Fremskridt papir, de demonstrerede teknikken ved at bruge den til at analysere standard testmolekyler såsom en glycerol-vand-blanding, men de planlægger nu at bruge det på mere komplekse molekyler.

Et stort interesseområde er det amyloide beta -protein, der akkumuleres i hjernen hos Alzheimers patienter. Forskerne planlægger også at studere en række forskellige membranbundne proteiner, såsom ionkanaler og rhodopsiner, som er lysfølsomme proteiner, der findes i bakteriemembraner samt den menneskelige nethinde. Fordi følsomheden er så stor, denne metode kan give nyttige data fra en meget mindre stikprøvestørrelse, hvilket kunne gøre det lettere at undersøge proteiner, der er vanskelige at få i store mængder.

Undersøgelsen er offentliggjort i Videnskab fremskridt .