211service.com
Eerste magnetische resonantiemicroscoop heeft menselijke biochemie in het vizier
Magnetische resonantie beeldvorming is een van de wonderen van de moderne wetenschap. Het produceert niet-invasieve 3D-beelden van het lichaam met behulp van onschadelijke magnetische velden en radiogolven. En met een paar extra trucs kan het ook details van de biochemische samenstelling van weefsel onthullen.
Die biochemische truc heet magnetische resonantiespectroscopie en het is een krachtig hulpmiddel voor artsen en onderzoekers die de biochemie van het lichaam bestuderen, inclusief metabolische veranderingen in tumoren in de hersenen en in spieren.
Maar deze techniek is niet perfect. De resolutie van magnetische resonantiespectroscopie is beperkt tot lengteschalen van ongeveer 10 micrometer. En er is een wereld van chemische en biologische activiteit op kleinere schaal waartoe wetenschappers op deze manier eenvoudigweg geen toegang hebben.
Dus artsen en onderzoekers zouden dolgraag een magnetische resonantiemicroscoop hebben die lichaamsweefsel en de biochemische reacties daarin op veel kleinere schaal kan bestuderen.
Vandaag zeggen David Simpson en vrienden van de Universiteit van Melbourne in Australië dat ze een magnetische resonantiemicroscoop hebben gebouwd met een resolutie van slechts 300 nanometer die biochemische reacties kan bestuderen op voorheen onvoorstelbare schalen. Hun belangrijkste doorbraak is een exotische diamantsensor die magnetische resonantiebeelden maakt op dezelfde manier als een lichtgevoelige CCD-chip in een camera.
Magnetische resonantiebeeldvorming werkt door een monster in een magnetisch veld te plaatsen dat zo krachtig is dat de atoomkernen allemaal uitgelijnd raken; met andere woorden, ze draaien allemaal op dezelfde manier. Wanneer deze kernen worden gezapt met radiogolven, worden de kernen opgewonden en zenden ze vervolgens radiogolven uit terwijl ze ontspannen. Door het patroon van opnieuw uitgezonden radiogolven te bestuderen, is het mogelijk om erachter te komen waar ze vandaan komen en zo een beeld van het monster op te bouwen.
De signalen onthullen ook hoe de atomen aan elkaar zijn gebonden en welke biochemische processen aan het werk zijn. Maar de resolutie van deze techniek wordt beperkt door hoe dicht de radio-ontvanger bij het monster kan komen.
Voer Simpson en co in, die een geheel nieuw soort magnetische resonantiesensor hebben gebouwd uit diamantfilm. De geheime saus in deze sensor is een reeks stikstofatomen die zijn ingebed in een diamantfilm op een diepte van ongeveer zeven nanometer en ongeveer 10 nanometer van elkaar.
Stikstofatomen zijn nuttig omdat ze, wanneer ze in diamant zijn ingebed, kunnen fluoresceren. En wanneer ze zich in een magnetisch veld bevinden, is de kleur die ze produceren zeer gevoelig voor de spin van atomen en elektronen in de buurt of, met andere woorden, voor de lokale biochemische omgeving.
Dus in de nieuwe machine plaatsen Simpson en co hun monster bovenop de diamantsensor, in een krachtig magnetisch veld en zappen het met radiogolven. Elke verandering in de toestand van nabijgelegen kernen zorgt ervoor dat de stikstofarray in verschillende kleuren fluoresceert. En de array van stikstofatomen produceert een soort beeld, net als een lichtgevoelige CCD-chip. Het enige wat Simpson en co doen is dit vuurwerk in de gaten houden om te zien wat er aan de hand is.
Om de nieuwe techniek op de proef te stellen, bestuderen Simpson en co het gedrag van hexaaqua-koper(2+)-complexen in een waterige oplossing. Hexaaqua-koper is aanwezig in veel enzymen die het gebruiken om koper in metalloproteïnen op te nemen. De distributie van koper tijdens dit proces, en de rol die het speelt bij celsignalering, is echter slecht begrepen omdat het onmogelijk is om in vivo te visualiseren.
Simpson en co laten zien hoe dit nu kan met hun nieuwe techniek, die ze kwantummagnetische resonantiemicroscopie noemen. Ze laten zien hoe hun nieuwe sensor de ruimtelijke verdeling van koper 2+ ionen kan onthullen in volumes van slechts enkele attoliters en met een hoge resolutie. We demonstreren beeldresolutie bij de diffractielimiet (~ 300 nm) met spingevoeligheden in het zeptomol (10‐21) bereik, zeg Simpson en co. Ze laten ook zien hoe de techniek de redoxreacties onthult die de ionen ondergaan. En dat alles doen ze op kamertemperatuur.
Dat is indrukwekkend werk dat belangrijke implicaties heeft voor de toekomstige studie van de biochemie. Het werk toont aan dat kwantumdetectiesystemen geschikt zijn voor de fluctuerende Brownse omgeving die wordt aangetroffen in 'echte' chemische systemen en de inherente fluctuaties in de spinomgeving van ionen die ligandherschikking ondergaan, zegt Simpson en co.
Dat maakt het een krachtig nieuw hulpmiddel dat de manier waarop we biologische processen begrijpen zou kunnen veranderen. Simpson en co zijn optimistisch over het potentieel ervan. Quantum magnetische resonantiemicroscopie is ideaal voor het onderzoeken van fundamentele biochemie op nanoschaal, zoals bindingsgebeurtenissen op celmembranen en de intracellulaire overgangsmetaalconcentratie in het periplasma van prokaryotische cellen.
Referentie: arxiv.org/abs/1702.04418 : Quantum Magnetische Resonantie Microscopie