211service.com
První magnetický rezonanční mikroskop má na mušce lidskou biochemii
Magnetická rezonance je jedním ze zázraků moderní vědy. Vytváří neinvazivní 3D snímky těla pomocí neškodných magnetických polí a rádiových vln. A s několika dalšími triky může také odhalit podrobnosti o biochemickém složení tkáně.
Tento biochemický trik se nazývá magnetická rezonanční spektroskopie a je to mocný nástroj pro lékaře a výzkumníky, kteří studují biochemii těla, včetně metabolických změn v nádorech v mozku a ve svalech.
Tato technika ale není dokonalá. Rozlišení magnetické rezonanční spektroskopie je omezeno na délková měřítka asi 10 mikrometrů. A existuje svět chemických a biologických aktivit v menších měřítcích, kam se vědci tímto způsobem jednoduše nedostanou.
Lékaři a výzkumníci by si tedy velmi přáli mít mikroskop s magnetickou rezonancí, který by mohl studovat tělesnou tkáň a biochemické reakce v ní v mnohem menších měřítcích.
Dnes David Simpson a jeho kamarádi z University of Melbourne v Austrálii tvrdí, že sestrojili mikroskop s magnetickou rezonancí s rozlišením pouhých 300 nanometrů, který dokáže studovat biochemické reakce na dříve nepředstavitelných měřítcích. Jejich klíčovým průlomem je exotický diamantový senzor, který vytváří obrazy magnetické rezonance podobným způsobem jako na světlo citlivý CCD čip ve fotoaparátu.
Zobrazování magnetickou rezonancí funguje tak, že umístí vzorek do magnetického pole tak silného, že se všechna atomová jádra srovnají; jinými slovy, všechny se točí stejným způsobem. Když jsou tato jádra pohlcena rádiovými vlnami, jádra se excitují a poté při relaxaci vyzařují rádiové vlny. Studiem vzoru reemitovaných rádiových vln je možné zjistit, odkud přišly, a tak vytvořit obraz vzorku.
Signály také odhalují, jak jsou atomy navzájem vázány a jak fungují biochemické procesy. Ale rozlišení této techniky je omezeno tím, jak blízko se může rádiový přijímač dostat ke vzorku.
Vstupují Simpson a spol., kteří postavili zcela nový druh senzoru magnetické rezonance z diamantového filmu. Tajnou omáčkou v tomto senzoru je pole atomů dusíku, které byly zabudovány do diamantového filmu v hloubce asi sedm nanometrů a asi 10 nanometrů od sebe.
Atomy dusíku jsou užitečné, protože když jsou vložené do diamantu, mohou fluoreskovat. A když jsou v magnetickém poli, barva, kterou produkují, je vysoce citlivá na rotaci atomů a elektronů v okolí nebo jinými slovy na místní biochemické prostředí.
V novém stroji tedy Simpson a spol. umístí svůj vzorek na vrchol diamantového senzoru do silného magnetického pole a přeruší jej rádiovými vlnami. Jakékoli změny ve stavu blízkých jader způsobí, že pole dusíku fluoreskuje v různých barvách. A pole atomů dusíku vytváří určitý druh obrazu, stejně jako čip CCD citlivý na světlo. Vše, co Simpson a co dělají, je sledovat tento ohňostroj, aby viděli, co se děje.
Aby se nová technika prosadila, Simpson a spol. studují chování komplexů hexaaqua mědi(2+) ve vodném roztoku. Hexaaqua měď je přítomna v mnoha enzymech, které ji používají k začlenění mědi do metaloproteinů. Distribuce mědi během tohoto procesu a role, kterou hraje v buněčné signalizaci, je však špatně pochopena, protože ji nelze vizualizovat in vivo.
Simpson a spol. ukazují, jak to lze nyní provést pomocí své nové techniky, kterou nazývají kvantová magnetická rezonanční mikroskopie. Ukazují, jak jejich nový senzor dokáže odhalit prostorovou distribuci iontů mědi 2+ v objemech pouhých několika attolitrů a ve vysokém rozlišení. Demonstrujeme rozlišení zobrazení na difrakčním limitu (~300 nm) se spinovými citlivostmi v rozsahu zeptomolu (10‐21), říkají Simpson a spol. Ukazují také, jak tato technika odhaluje redoxní reakce, kterým ionty procházejí. A to vše dělají při pokojové teplotě.
To je působivá práce, která má důležité důsledky pro budoucí studium biochemie. Práce ukazuje, že systémy kvantového snímání se mohou přizpůsobit kolísavému Brownovu prostředí, se kterým se setkáváme ve „skutečných“ chemických systémech, a inherentním fluktuacím ve spinovém prostředí iontů podstupujících přeskupení ligandu, říká Simpson a spol.
To z něj dělá mocný nový nástroj, který by mohl změnit způsob, jakým rozumíme biologickým procesům. Simpson a spol jsou ohledně jeho potenciálu optimističtí. Kvantová magnetická rezonanční mikroskopie je ideální pro sondování základní biochemie nanoměřítek, jako jsou vazebné události na buněčných membránách a intracelulární koncentrace přechodných kovů v periplazmě prokaryotických buněk.
Ref: arxiv.org/abs/1702.04418 : Mikroskopie kvantové magnetické rezonance