(Phys.org)—Vergelijkbaar met de manier waarop een conventionele MRI-machine (magnetic resonance imaging) grote magneten gebruikt om 3D-beelden te genereren, natuurkundigen hebben een voorstel ontwikkeld voor een kwantum nano-MRI-machine die de magnetische eigenschappen van een enkele atomaire qubit zou gebruiken om 3D-beelden te genereren met een resolutie van angstrom (0,1 nanometer). De nieuwe techniek zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van één-molecuulmicroscopen voor het afbeelden van biomoleculen, met toepassingen in de ontdekking van geneesmiddelen en een beter begrip van ziekten.

De onderzoekers, onder leiding van Lloyd Hollenberg, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Melbourne, hebben een paper over de nieuwe techniek gepubliceerd in een recent nummer van Natuurcommunicatie .

"Continue wetenschappelijke vooruitgang in de afgelopen decennia hebben ons in staat gesteld om veel medische problemen op macroscopische schaal te begrijpen en daarom te genezen, bijvoorbeeld botbreuken of bloedstolsels, " vertelde hoofdauteur Viktor Perunicic van de Universiteit van Melbourne: Phys.org . "Echter, de ziekten waarmee de mensheid tegenwoordig wordt geconfronteerd, zijn microscopisch klein, omdat ze voortkomen uit storingen op moleculair niveau, bijvoorbeeld een eiwit met een misvormde vorm ergens in een cel. Kanker, suikerziekte, virale infecties en vele anderen hebben dit gemeen, maar op dit moment is er bijna geen middel om te zien wat er op dit niveau in ons lichaam gebeurt.

"In ons werk we willen dit probleem aanpakken door een blauwdruk te ontwikkelen voor technologie die direct 3D visueel inzicht kan geven in de atomaire structuur van individuele moleculen in hun cellulaire omgeving. We bereiken dit door gebruik te maken van kwantumcomputertechnologie in een concept dat magnetische resonantiebeeldvorming op atomaire schaal brengt."

Het voorgestelde beeldvormingssysteem bestaat uit een atomaire qubit die ongeveer 2 nanometer onder een oppervlak wordt geplaatst dat het af te beelden molecuul vasthoudt. De qubit fungeert als zowel de bron als de sensor van magnetische velden, met zijn kwantummagnetische eigenschappen (zijn spin) in wisselwerking met de magnetische eigenschappen van de atomen in het doelmolecuul. Door gegevens over deze interacties op verschillende oriëntaties te verzamelen, het systeem zou de posities van individuele atomen kunnen bepalen en een 3D-beeld van de structuur van het doelmolecuul kunnen construeren.

De wetenschappers simuleerden de nieuwe techniek met behulp van een rapamycinemolecuul (C ₅₁ H ₇₉ NEE ₁₃ ), een immunosuppressivum dat vaak wordt gebruikt om afstoting van orgaantransplantaten te voorkomen. Bij conventionele beeldvormingstechnieken zoals röntgenkristallografie, het is moeilijk om de waterstofatomen te detecteren. Maar door de kernspindichtheid van waterstof te meten, de nano-MRI-methode kan 3D-beelden van de waterstofatomen genereren, evenals de koolstofatomen, met een gemiddelde beeldresolutie op angstrom-niveau.

"Het vermogen om de atomaire structuur van moleculen in hun oorspronkelijke cellulaire omgeving in beeld te brengen, is van vitaal belang voor zowel het begrijpen van de oorsprong van de ziekte als het vinden van de remedie, " zei Hollenberg. "Bijvoorbeeld, bij het zoeken en testen van nieuwe medicijnen zou men eerst een doelwit identificeren, vaak een membraaneiwit. Het in beeld brengen van de ware structuur van het eiwit in de cellulaire omgeving is essentieel om te begrijpen hoe medicijnmoleculen ermee zullen interageren. Op basis van deze informatie, een geneesmiddelmolecuul zou kunnen worden geselecteerd of ontworpen. belangrijk, hetzelfde beeldvormingsapparaat zou middelen verschaffen om te begrijpen en te testen hoe goed het medicijn werkt, door de interacties met het doelmolecuul op atomair niveau te observeren. Ons doel is om een ​​veelzijdige technologie te ontwikkelen voor het observeren van de momenteel ontoegankelijke biochemische atomaire structuur van belangrijke moleculen in situ, op een manier die analoog is aan hoe MRI-machines in ziekenhuizen de anatomie van ons lichaam observeren."

Door de grote hoeveelheid gegevens die ermee gemoeid zijn, simulaties tonen aan dat de totale tijd om een ​​afbeelding van het rapamycinemolecuul te genereren momenteel ongeveer 175 uur is. Echter, de onderzoekers verwachten dat toekomstige verbeteringen deze tijd sterk zullen verkorten, en de resolutie verder te verhogen. In de toekomst, ze zijn ook van plan om het systeemontwerp op te schalen voor het afbeelden van grotere biomoleculen.

"Tot nu toe heeft ons werk zich gericht op de fundamentele theoretische basis, begrijpen hoe het apparaat fysiek moet worden geconstrueerd met de momenteel beschikbare technologie, Perunicic zei. "We ontwikkelen de ingewikkelde kwantummechanische controle die het vermogen zou bieden om individuele moleculen in beeld te brengen, en voeren ook simulaties uit om de prestaties onder realistische omstandigheden te testen. Omdat de resultaten van deze onderzoeken bemoedigend waren, de natuurlijke richting voor de komende jaren is om experimentele proof-of-concept-demonstraties te ondernemen."

© 2016 Fys.org