Nye visninger på nanoskala

(PhysOrg.com) -- Magnetisk resonansbilleddannelse, først udviklet i begyndelsen af ​​1970'erne, er blevet et standard diagnostisk værktøj til kræft, kardiovaskulære sygdomme og neurologiske lidelser, blandt andre. MR er ideelt egnet til medicinsk billeddannelse, fordi den giver et uovertruffen tredimensionelt indblik i levende væv uden at beskadige vævet. Imidlertid, dets anvendelse i videnskabelige undersøgelser har været begrænset, fordi det ikke kan afbilde noget mindre end flere kubikmikrometer.

Nu kombinerer videnskabsmænd 3D-kapaciteten af ​​MRI med præcisionen af ​​en teknik kaldet atomkraftmikroskopi. Denne kombination muliggør 3D-visualisering af bittesmå prøver såsom vira, celler og potentielt strukturer inde i celler - en forbedring på 100 millioner gange i forhold til MRI, der bruges på hospitaler.

Sidste år, Christian Degen, MIT assisterende professor i kemi, og kolleger ved IBM Almaden Research Center, hvor Degen arbejdede som postdoc, før han kom til MIT, brugte den strategi til at bygge den første MRI-enhed, der kan optage 3-D-billeder af vira. Sidste weekend, deres papir, der rapporterer evnen til at tage et MRI-billede af en tobaksmosaikvirus, blev tildelt 2009 Cozzarelli-prisen af ​​National Academy of Sciences, for videnskabelig ekspertise og originalitet i kategorien ingeniørvidenskab og anvendt videnskab.

"Det er langt den mest følsomme MR-billeddannelsesteknik, der er blevet påvist, siger Raffi Budakian, assisterende professor i fysik ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som ikke var en del af forskerholdet.

Brug af MR-scanning i nanoskala til at afsløre 3D-former af biologiske molekyler giver en betydelig forbedring i forhold til røntgenkrystallografi, som var nøglen til at opdage dobbelthelixstrukturen af ​​DNA, men er ikke velegnet til proteiner, fordi de er svære at krystallisere, siger Budakian. "Der er virkelig ingen anden teknik, der kan gå ind molekyle for molekyle og bestemme strukturen, " han siger. At finde ud af sådanne strukturer kan hjælpe videnskabsmænd med at lære mere om sygdomme forårsaget af misdannede proteiner og identificere bedre lægemiddelmål.

Denne animation viser, hvordan magnetisk kraftresonansmikroskopi fanger billeder af bittesmå prøver såsom vira. Computersimulering:Christian Degen

Forbedring på MR

Traditionel MR udnytter de meget svage magnetiske signaler, der udsendes af brintkerner i prøven, der afbildes. Når et kraftigt magnetfelt påføres vævet, kernernes magnetiske spin justeres, genererer et signal, der er stærkt nok til, at en antenne kan registrere. Imidlertid, de magnetiske spins er så svage, at et meget stort antal atomer (normalt mere end en billion) er nødvendige for at generere et billede, og den bedst mulige opløsning er omkring tre milliontedele af en meter (ca. halvdelen af ​​diameteren af ​​et rødt blodlegeme).

I 1991, Den teoretiske fysiker John Sidles foreslog først ideen om at kombinere MRI med atomkraftmikroskopi for at afbilde bittesmå biologiske strukturer. IBM-fysikere byggede det første mikroskop baseret på den tilgang, kaldet magnetisk resonanskraftmikroskopi (MRFM), i 1993.

Siden da, forskere, inklusive Degen og hans IBM-kolleger, har forbedret teknikken til det punkt, hvor den kan producere 3-D-billeder med opløsning så lav som fem til 10 nanometer, eller milliardtedele af en meter. (Et menneskehår er omkring 80, 000 nanometer tyk.)

Med MRFM, prøven, der skal undersøges, er fastgjort til enden af ​​en lille siliciumudkrager (ca. 100 milliontedele meter lang og 100 milliardtedele meter bred). Når en magnetisk jernkoboltspids bevæger sig tæt på prøven, atomernes nukleare spin bliver tiltrukket af det og genererer en lille kraft på cantileveren. Spindene vendes derefter gentagne gange, hvilket får cantileveren til forsigtigt at svaje frem og tilbage i en synkron bevægelse. Denne forskydning måles med en laserstråle for at skabe en række 2-D billeder af prøven, som kombineres for at generere et 3D-billede.

MRFM-opløsningen er næsten lige så god (inden for en faktor 10) af opløsningen ved elektronmikroskopi, den mest følsomme billedteknik, som biologer bruger i dag. Imidlertid, i modsætning til elektronmikroskopi, MRFM kan afbilde sarte prøver som vira og celler uden at beskadige dem.

Nye mål

Degen, som blev interesseret i at forfølge nye MR-teknikker efter at have set en demonstration af et elektronmikroskop på college, siger, at hans arbejde kunne hjælpe strukturelle biologer med at opdage nye lægemiddelmål for vira.

"Normalt hvis du vil finde ud af, hvordan tingene fungerer, du skal finde strukturen. Ellers ved du ikke, hvordan du designer lægemidler, " han siger. "Du opererer i en blind vinkel."

Degen og kemistuderende Ye Tao bygger nu et MRFM-mikroskop i kælderen i MIT's Building 2. Når det er færdigt, mikroskopet vil være et af blot en håndfuld af sin slags i verden. De fleste af delene er på plads og fungerer, men Degen og Tao mangler stadig at skaffe den køleenhed, der vil køle systemet til lige over det absolutte nulpunkt. Systemet skal afkøles til 50 millikelvin for at minimere termiske vibrationer, som forstyrrer cantileverens magnet-inducerede forskydningssignal.

Degen håber at modtage køleenheden i slutningen af ​​maj eller begyndelsen af ​​juni, men forsendelsen kan blive forsinket af en vedvarende mangel på heliumisotoper, som er nødvendige for at opnå den nødvendige køling. Hvis alt går efter planen, mikroskopet kunne generere billeder ved udgangen af ​​dette år.

Degen og to af hans elever forfølger også en anden ny tilgang til nanoskala MRI. Denne tilgang bruger fluorescens i stedet for magnetisme til at afbilde prøver. Deres nye mikroskop erstatter den magnetiske spids med en diamant, der har en defekt i krystalstrukturen. Defekten, kendt som en nitrogen-tomgangsdefekt, fungerer som en sensor, fordi dens fluorescensintensitet ændres af interaktioner med magnetiske spins. Denne opsætning skal ikke køles, så prøver kan afbildes ved stuetemperatur.