Nucleaire magnetische resonantiescanners, zoals bekend uit ziekenhuizen, zijn nu extreem gevoelig. Een kwantumsensor ontwikkeld door een team onder leiding van professor Jörg Wrachtrup aan de Universiteit van Stuttgart en onderzoekers van het Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart, maakt het nu mogelijk om met nucleaire magnetische resonantie scanning zelfs de structuur van individuele eiwitten atoom voor atoom te onderzoeken. In de toekomst, de methode zou kunnen helpen om ziekten in een vroeg stadium te diagnosticeren door de eerste defecte eiwitten op te sporen.

Veel ziekten vinden hun oorsprong in defecte eiwitten. Omdat eiwitten belangrijke biochemische motoren zijn, defecten kunnen leiden tot stoornissen in het metabolisme. Defecte prionen, die hersenschade veroorzaken bij BSE en de ziekte van Creutzfeldt-Jakob, zijn een voorbeeld. Pathologisch veranderde prionen hebben gebreken in hun complexe moleculaire structuur. Het probleem:ook individuele defecte eiwitten kunnen via een soort domino-effect defecten veroorzaken in naburige intacte eiwitten en zo een ziekte veroorzaken. Het zou daarom heel nuttig zijn als artsen de eerste, nog steeds individuele prionen met de verkeerde structuur. Het heeft, echter, tot op heden niet mogelijk geweest om de structuur van één individueel biomolecuul op te helderen.

In een artikel gepubliceerd in Wetenschap , een team van onderzoekers uit Stuttgart heeft nu een methode gepresenteerd die in de toekomst kan worden gebruikt voor betrouwbaar onderzoek van individuele biomoleculen. Dit is niet alleen belangrijk voor de bestrijding van ziekten, maar ook voor chemisch en biochemisch basisonderzoek.

De methode omvat het als het ware miniaturiseren van de uit de medische techniek bekende kernspinresonantietomografie (NMR), wat in de medische wereld meestal MRI-scanning wordt genoemd. NMR maakt gebruik van een speciale eigenschap van de atomen:hun spin. In simpele termen, spin kan worden gezien als de rotatie van atoomkernen en elektronen om hun eigen as, het veranderen van de deeltjes in kleine, draaiende staafmagneten. Hoe deze magneten zich gedragen, is kenmerkend voor elk type atoom en elk chemisch element. Elk deeltje oscilleert dus met een bepaalde frequentie.

Bij medische toepassingen, het is normaal dat er maar één type atoom in het lichaam wordt gedetecteerd:waterstof, bijvoorbeeld. Het waterstofgehalte in de verschillende weefsels maakt het mogelijk om het inwendige van het lichaam te onderscheiden met behulp van verschillende contrasten.

Structurele resolutie op atomair niveau

Bij het ophelderen van de structuur van biomoleculen, anderzijds, elk afzonderlijk atoom moet worden bepaald en de structuur van het biomolecuul moet vervolgens stukje bij beetje worden ontcijferd. Het cruciale aspect hierbij is dat de NMR-detectoren zo klein zijn dat ze een resolutie op nanometerschaal bereiken en zo gevoelig zijn dat ze individuele moleculen precies kunnen meten. Het is ruim vier jaar geleden dat de onderzoekers van Jörg Wrachtrup voor het eerst zo'n kleine NMR-sensor ontwierpen; het deed het niet, echter, zodat ze onderscheid kunnen maken tussen individuele atomen.

Om een ​​resolutie op atomair niveau te bereiken, de onderzoekers moeten onderscheid kunnen maken tussen de frequentiesignalen die ze ontvangen van de afzonderlijke atomen van een molecuul - zoals een radio een radiostation identificeert aan de hand van zijn karakteristieke frequentie. De frequenties van de signalen die door de atomen van een eiwit worden uitgezonden, zijn die frequenties waarop de atomaire staafmagneten in het eiwit ronddraaien. Deze frequenties liggen heel dicht bij elkaar, alsof de zendfrequenties van radiostations zich allemaal in een zeer smalle bandbreedte probeerden te persen. Dit is de eerste keer dat de onderzoekers in Stuttgart een frequentieresolutie hebben bereikt waarmee ze individuele soorten atomen kunnen onderscheiden.

"We hebben de eerste kwantumsensor ontwikkeld die de frequenties van verschillende atomen met voldoende precisie kan detecteren en zo een molecuul bijna in zijn individuele atomen kan oplossen, ", zegt Jörg Wrachtrup. Zo is het nu mogelijk om een ​​groot biomolecuul te scannen, als het ware. de voeler, die fungeert als een kleine NMR-antenne, is een diamant met een stikstofatoom ingebed in het koolstofrooster dicht bij het oppervlak van het kristal. De natuurkundigen noemen de plaats van het stikstofatoom het NV-centrum:N voor stikstof en V voor leegstand, wat verwijst naar een ontbrekend elektron in het diamantrooster direct naast het stikstofatoom. Zo'n NV-centrum detecteert de kernspin van atomen die zich in de buurt van dit NV-centrum bevinden.

Eenvoudig en toch heel precies

De spinfrequentie van het magnetische moment van een atoom dat zojuist is gemeten, wordt overgebracht naar het magnetische moment in het NV-centrum, wat met een speciale optische microscoop te zien is als een kleurverandering.

De kwantumsensor bereikt zo'n hoge gevoeligheid, omdat het frequentiesignalen van een atoom kan opslaan. Eén enkele meting van de frequentie van een atoom zou te zwak zijn voor de kwantumsensor en mogelijk te veel ruis. Door het geheugen kan de sensor veel frequentiesignalen over een langere periode opslaan, echter, en stemt zich zo heel precies af op de trillingsfrequentie van een atoom - zoals een hoogwaardige kortegolfontvanger radiokanalen die heel dicht bij elkaar liggen duidelijk kan oplossen.

Naast de hoge resolutie heeft deze technologie nog andere voordelen:ze werkt bij kamertemperatuur en in tegenstelling tot andere hooggevoelige NMR-methoden die worden gebruikt in biochemisch onderzoek, het vereist geen vacuüm. Bovendien, deze andere methoden werken over het algemeen dicht bij het absolute nulpunt - minus 273,16 graden Celsius - waardoor complexe koeling met helium nodig is.

Toekomstig toepassingsgebied:hersenonderzoek

Jörg Wrachtrup ziet in de toekomst niet één, maar meerdere toepassingsgebieden voor zijn hoge resolutie kwantumsensoren. "Het is denkbaar dat, in de toekomst, het zal mogelijk zijn om individuele eiwitten te detecteren die in het vroege stadium van een ziekte een merkbare verandering hebben ondergaan en die tot nu toe over het hoofd zijn gezien." Wrachtrup werkt samen met een industrieel bedrijf aan een iets grotere kwantumsensor die in de toekomst zou kunnen worden gebruikt om de zwakke magnetische velden van de hersenen te detecteren. "We noemen deze sensor de hersenlezer. We hopen dat het ons zal helpen te ontcijferen hoe de hersenen werken - en het zou een goede aanvulling zijn op de conventionele elektrische apparaten die zijn afgeleid van het EEG" - het elektro-encefalogram. Voor de hersenlezer, Wrachtrup werkt al samen met zijn industriële partner aan een houder en een behuizing, zodat het apparaat gemakkelijk te dragen en te bedienen is in het dagelijks leven. Om dit punt te bereiken, echter, het zal nog minstens tien jaar onderzoek vergen.