In de wetenschap, veel van de meest interessante gebeurtenissen vinden plaats op een schaal die veel kleiner is dan het blote menselijk oog kan zien. Medische onderzoekers zouden een reeks doorbraken kunnen realiseren als ze diep in levende biologische cellen zouden kunnen kijken, maar bestaande methoden voor beeldvorming missen ofwel de gewenste gevoeligheid en resolutie of vereisen omstandigheden die leiden tot celdood, zoals cryogene temperaturen. Onlangs, echter, een team van door Harvard University geleide onderzoekers die aan het Quantum-Assisted Sensing and Readout (QuASAR) -programma van DARPA werkten, toonde beeldvorming aan van magnetische structuren in levende cellen. Met behulp van apparatuur die werkt bij kamertemperatuur en druk, het team kon details tot 400 nanometer weergeven, dat is ongeveer de grootte van twee mazelenvirussen. Voor een gevoel van schaal, zie:learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/.

De techniek van het Harvard QuASAR-team wordt beschreven in een Natuur paper getiteld "Optische magnetische beeldvorming van levende cellen." Eigenlijk, de onderzoekers gebruikten imperfecties in diamant die bekend staan ​​als stikstof-vacature (NV) kleurcentra om te functioneren als zeer nauwkeurige sondes van de magnetische velden die worden geproduceerd door levende magnetotactische bacteriën - organismen die magnetische nanodeeltjes bevatten. Met behulp van een reeks van deze NV-kleurcentra die zijn ontworpen op specifieke punten en dichtheid in een diamantchip, de onderzoekers waren in staat om de magnetische structuren in elke bacterie te lokaliseren en beelden te construeren van de magnetische velden die ze produceerden.

De bevindingen van het team hebben verschillende mogelijke toepassingen en kunnen leiden tot aanvullende studiegebieden:

• In principe, deze techniek zou gedetailleerde, real-time observatie van interne cellulaire processen, zoals celdood, evolutie en verdeling, en hoe cellen worden aangetast door ziekte.
• De metingen van de onderzoekers zijn direct van toepassing op het bestuderen van de vorming van magnetische nanodeeltjes in andere organismen, wat van belang is voor contrastverbetering bij magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), en is in verband gebracht met neurodegeneratieve aandoeningen.
• De vorming van magnetische nanodeeltjes is voorgesteld als een mechanisme voor magnetische navigatie in hogere organismen.

In een verwante ontwikkeling, twee afzonderlijke teams van QuASAR-onderzoekers, geleid door de Universiteit van Stuttgart in Duitsland en het Almaden Research Center van IBM, een magnetometer op nanoschaal ontwikkeld die magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) mogelijk maakt met voldoende resolutie om slechts 10 te meten, 000 protonen in een volume van slechts 125 kubieke nanometer, die het niveau van individuele eiwitmoleculen benadert. Eerdere MRI-technologieën, zelfs als ze tot het uiterste worden uitgerekt, hebben geen resolutie van meer dan enkele micrometers mogelijk gemaakt vanwege verstorende factoren zoals magnetische achtergrondruis. De nieuwe techniek van de Quasar-teams, nagesynchroniseerde nano-MRI, overwint deze beperking door een enkel NV-kleurcentrum te gebruiken dat dicht bij het oppervlak van een diamantchip is ingebed om nucleaire magnetische resonantiesignalen te meten. Het kan worden gebruikt om het magnetische veld op een enkel punt op een structuur te meten, of scan over het oppervlak om de structuur in beeld te brengen door meerdere punten te meten. Het werk wordt beschreven in twee artikelen in de 1 februari 2013 editie van Wetenschap :"Nanoschaal nucleaire magnetische resonantie met een stikstof-vacature spinsensor" en "www.sciencemag.org/content/339/6119/561"> Nucleaire magnetische resonantiespectroscopie op een (5 nanometer) ³ Monstervolume."

De nano-MRI-technologie biedt het extra voordeel van werken bij kamertemperatuur, het elimineren van de noodzaak van dure cryogene apparatuur. Omgekeerd, traditionele MRI maakt gebruik van omvangrijke machines die vaak cryogene koeling vereisen.

Het werk van de Universiteit van Stuttgart en IBM aan QuASAR kan mogelijk een reeks toekomstige medische voordelen en mogelijkheden bieden:

• Ondersteuning van toekomstige medicijnontwikkeling door een beter begrip van de structuur van eiwitten te vergemakkelijken.
• Gedetailleerde, driedimensionale mapping van biologische moleculen, met voldoende gevoeligheid om specifieke elementen te identificeren. Deze informatie zou de beoordeling van remmende geneesmiddelen tegen natuurlijk voorkomende en biologisch ontworpen virussen kunnen stroomlijnen.
• Meting van het magnetische veld van afvurende neuronen inschakelen.

"In QuASAR bouwen we sensoren die profiteren van de extreme precisie en controle van de atoomfysica. We hopen dat deze nieuwe meetinstrumenten nieuwe mogelijkheden kunnen bieden aan de bredere wetenschappelijke en operationele gemeenschappen, " zei Jamil Abo-Shaeer, DARPA programmamanager. "Het werk dat deze teams doen om kwantumondersteunde metingen toe te passen op biologische beeldvorming, kan de inspanningen van DoD om gespecialiseerde medicijnen en therapieën te ontwikkelen, ten goede komen. en mogelijk ondersteunen van het werk van DARPA om beter te begrijpen hoe het menselijk brein functioneert."

Alle drie de inspanningen werden uitgevoerd als fundamenteel onderzoek. Toekomstig werk kan pogingen omvatten om:de gevoeligheid van de meetapparatuur te vergroten door ze nog dichter bij de te meten organismen te plaatsen; het inbedden van nanodiamanten met NV-centra in levende cellen voor in-vitrostudies om magnetische velden en temperatuur te meten; en NV-geassisteerde magnetische veldbeeldvorming van gelabelde biomoleculen mogelijk te maken.