MIT-onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om de gevoeligheid van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie (NMR) drastisch te verbeteren. een techniek die wordt gebruikt om de structuur en samenstelling van vele soorten moleculen te bestuderen, inclusief eiwitten die verband houden met de ziekte van Alzheimer en andere ziekten.

Met behulp van deze nieuwe methode, wetenschappers zouden in slechts enkele minuten structuren moeten kunnen analyseren die voorheen jaren nodig hadden om te ontcijferen, zegt Robert Griffin, de Arthur Amos Noyes hoogleraar scheikunde. De nieuwe aanpak, die afhankelijk is van korte pulsen van microgolfvermogen, zou onderzoekers in staat kunnen stellen structuren te bepalen voor veel complexe eiwitten die tot nu toe moeilijk te bestuderen waren.

"Deze techniek zou uitgebreide nieuwe gebieden van chemische, biologisch, materialen, en medische wetenschap die momenteel ontoegankelijk zijn, " zegt Griffioen, de senior auteur van de studie.

MIT-postdoc Kong Ooi Tan is de hoofdauteur van het artikel, die verschijnt in Wetenschappen vooruitgang op 18 januari. Voormalige MIT-postdocs Chen Yang en Guinevere Mathies, en Ralph Weber van Bruker BioSpin Corporation, zijn ook auteurs van het artikel.

Verbeterde gevoeligheid

Traditionele NMR gebruikt de magnetische eigenschappen van atoomkernen om de structuren te onthullen van de moleculen die die kernen bevatten. Door een sterk magnetisch veld te gebruiken dat interageert met de kernspins van waterstof en andere isotopisch gelabelde atomen zoals koolstof of stikstof, NMR meet een eigenschap die bekend staat als chemische verschuiving voor deze kernen. Die verschuivingen zijn uniek voor elk atoom en dienen dus als vingerafdrukken, die verder kunnen worden benut om te onthullen hoe die atomen zijn verbonden.

De gevoeligheid van NMR hangt af van de polarisatie van de atomen - een meting van het verschil tussen de populatie van "up" en "down" nucleaire spins in elk spin-ensemble. Hoe groter de polarisatie, hoe groter de gevoeligheid die kan worden bereikt. Typisch, onderzoekers proberen de polarisatie van hun monsters te vergroten door een sterker magnetisch veld aan te leggen, tot 35 tesla.

Een andere benadering, die Griffin en Richard Temkin van het Plasma Science and Fusion Center van MIT de afgelopen 25 jaar hebben ontwikkeld, verbetert de polarisatie verder met behulp van een techniek die dynamische nucleaire polarisatie (DNP) wordt genoemd. Deze techniek omvat het overbrengen van polarisatie van de ongepaarde elektronen van vrije radicalen naar waterstof, koolstof, stikstof, of fosforkernen in het bestudeerde monster. Dit verhoogt de polarisatie en maakt het gemakkelijker om de structurele kenmerken van het molecuul te ontdekken.

DNP wordt meestal uitgevoerd door het monster continu te bestralen met hoogfrequente microgolven, met behulp van een instrument dat een gyrotron wordt genoemd. Dit verbetert de NMR-gevoeligheid met ongeveer 100-voudig. Echter, deze methode vereist veel kracht en werkt niet goed bij hogere magnetische velden die nog grotere resolutieverbeteringen zouden kunnen bieden.

Om dat probleem op te lossen, het MIT-team bedacht een manier om korte pulsen microgolfstraling af te geven, in plaats van continue blootstelling aan microgolven. Door deze pulsen op een bepaalde frequentie af te geven, ze waren in staat om de polarisatie met een factor tot 200 te verbeteren. Dit is vergelijkbaar met de verbetering die wordt bereikt met traditionele DNP, maar het vereist slechts 7 procent van het vermogen, en in tegenstelling tot traditionele DNP, het kan worden geïmplementeerd bij hogere magnetische velden.

"We kunnen de polarisatie op een zeer efficiënte manier overbrengen, door efficiënt gebruik van microgolfstraling, " zegt Tan. "Met continue bestraling, je blaast gewoon magnetronvermogen, en je hebt geen controle over fasen of pulslengte."

Tijd besparen

Met deze verbetering in gevoeligheid, monsters die voorheen bijna 110 jaar nodig hadden om te analyseren, konden in één dag worden bestudeerd, zeggen de onderzoekers. In de Wetenschappen vooruitgang papier, ze demonstreerden de techniek door deze te gebruiken om standaard testmoleculen zoals een glycerol-watermengsel te analyseren, maar ze zijn nu van plan het te gebruiken op complexere moleculen.

Een belangrijk aandachtsgebied is het amyloïde bèta-eiwit dat zich ophoopt in de hersenen van Alzheimerpatiënten. De onderzoekers zijn ook van plan om verschillende membraangebonden eiwitten te bestuderen, zoals ionkanalen en rodopsines, Dit zijn lichtgevoelige eiwitten die zowel in bacteriële membranen als in het menselijk netvlies worden aangetroffen. Omdat de gevoeligheid zo groot is, deze methode kan bruikbare gegevens opleveren uit een veel kleinere steekproefomvang, wat het gemakkelijker zou kunnen maken om eiwitten te bestuderen die moeilijk in grote hoeveelheden te verkrijgen zijn.

De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .