Australische wetenschappers hebben een nieuw hulpmiddel ontwikkeld om het leven op nanoschaal in beeld te brengen, dat nieuwe inzichten zal verschaffen in de rol van overgangsmetaalionen zoals koper bij neurodegeneratieve ziekten.

In een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een team van onderzoekers van de Universiteit van Melbourne onthult een "kwantumkangoeroe" die een manier laat zien om elektronische spins niet-invasief te detecteren en af ​​te beelden met omgevingsgevoeligheden en resolutie-orden van grootte die nog nooit eerder zijn bereikt. De doorbraak zal artsen en onderzoekers een nieuw hulpmiddel bieden om de rol van overgangsmetaalionen in biologie en ziekte te onderzoeken.

Elektronenspinresonantie (ESR)-technieken zijn een steunpilaar geweest bij het begrijpen van biochemische processen in biologische systemen. Toch heeft ESR de snelle groei niet gezien in vergelijking met zijn zustertechnologie, nucleaire magnetische resonantie, wat nu een volwassen technologie is die wordt gebruikt in magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) om in het lichaam te kijken.

Zowel ESR als NMR passen een magnetisch veld toe op beeldmoleculen, maar in tegenstelling tot NMR, ESR kan biochemie onthullen die verband houdt met metaalionen en vrije radicalen. De uitdaging is dat in biologische systemen de detecteerbare concentratie van elektronenspins vele ordes van grootte lager is dan die van kernspins. Vandaar, de wegversperring voor de ontwikkeling van op ESR gebaseerde beeldvormingstechnieken was de vereiste gevoeligheid - doorgaans waren miljarden elektronische spins nodig om een ​​voldoende signaal te genereren voor succesvolle beeldvorming.

Voer in:kwantumtechnologie. Een team onder leiding van professor Lloyd Hollenberg heeft een speciaal ontworpen reeks kwantumsondes in diamant gebruikt om niet-invasieve ESR-beeldvorming met subcellulaire resolutie aan te tonen. Opmerkelijk, het systeem is in staat om zeer kleine regio's met slechts een paar duizend elektronenspins af te beelden en te ondervragen.

"De detectie- en beeldtechnologie die we ontwikkelen, stelt ons in staat om het leven op een geheel nieuwe manier te bekijken, met grotere gevoeligheid en resolutie afgeleid van de fundamentele interacties van monster en sonde op kwantummechanisch niveau, zei Hollenberg, die adjunct-directeur is van het Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) en Thomas Baker Chair aan de Universiteit van Melbourne.

"Deze dramatische verbetering in ESR-beeldvormingstechnologie is een opwindende ontwikkeling en een duidelijke demonstratie van hoe kwantumtechnologie kan worden gebruikt om de signaalgevoeligheid te verbeteren en oplossingen te bieden voor langdurige problemen, bijvoorbeeld het onderzoeken van menselijke biochemie op nog fijnere schalen."

Het schalen van ESR-technologie naar een resolutie van minder dan een micron was een uitdaging omdat een dergelijke vermindering van de ruimtelijke resolutie een aanzienlijk betere gevoeligheid vereist. Echter, dit is precies wat kwantumsondes bieden - hoge gevoeligheid met hoge ruimtelijke resolutie.

Door een reeks kwantumsondes in diamant te genereren, door gebruik te maken van het unieke kleurcentrum voor stikstof-vacatures, het interdisciplinaire onderzoeksteam was in staat om elektronische spinsoorten in beeld te brengen en te detecteren bij de diffractielimiet van licht, 300 nanometer. Kritisch, de detectietechnologie kan spectroscopische informatie verschaffen over de specifieke bron van elektronische spins die wordt afgebeeld.

Dokter David Simpson, hoofdauteur en co-hoofd van sensing en imaging bij het Center for Neural Engineering zei dat de technologie nieuw inzicht kan bieden in de rol die overgangsmetaalionen spelen in de biologie.

"Overgangsmetaalionen zijn betrokken bij verschillende neurodegeneratieve ziekten, echter, er is weinig bekend over hun concentratie en oxidatietoestand in levende cellen, " hij zei.

"We streven ernaar deze nieuwe vorm van detectie aan te passen om dergelijke effecten in een reeks biologische systemen te onderzoeken."

Een van de unieke voordelen van op kwantum gebaseerde detectie is dat het niet interfereert met het monster dat wordt afgebeeld. Andere benaderingen zijn afhankelijk van fluorescerende moleculen die binden aan bepaalde interessante doelen. Hoewel deze benaderingen soortspecifiek zijn, ze wijzigen de functionaliteit en beschikbaarheid van de doelsoort die wordt afgebeeld.

Promovendus en co-auteur van de paper Robert Ryan legde de techniek uit.

"Onze techniek berust op passieve, niet-invasieve detectie van elektronische spins door hun interactie met de kwantumsonde-array te observeren, " zei Rianne.

"Door zorgvuldig een externe magneet af te stemmen op resonantie met de kwantumsondes, we kunnen luisteren naar de magnetische ruis die wordt gecreëerd door de elektronische spins van het monster. Verschillende elektronische spinsoorten hebben verschillende resonantiecondities; daarom zijn we in staat om verschillende elektronische spindoelen te detecteren en in beeld te brengen."

Een sleutel tot het succes van het werk was de samenwerking tussen de teamleden, die afkomstig waren uit verschillende onderzoekscentra van de universiteit.

"Het interdisciplinaire aspect van dit onderzoek hielp de grenzen van wat mogelijk is te verleggen, " zei professor Paul Mulvaney, co-auteur en directeur van het Centre for Exciton Science in de School of Chemistry aan de Universiteit van Melbourne.

"Vanuit een scheikundig perspectief, het is verrassend om te zien dat een fragiel kwantumsysteem de fluctuerende omgeving kan accommoderen die wordt aangetroffen in 'echte' chemische systemen en de inherente fluctuaties in de omgeving van ionen die ligand-herschikking ondergaan. De complementaire expertise binnen de chemie, natuurkunde en neurowetenschap heeft geleid tot deze vooruitgang."