Het bepalen van de exacte configuratie van eiwitten en andere complexe biologische moleculen is een belangrijke stap naar het begrijpen van hun functies, inclusief hoe ze binden met receptoren in het lichaam. Maar dergelijke beeldvorming is moeilijk te doen. Het vereist meestal dat de moleculen eerst worden gekristalliseerd, zodat röntgendiffractietechnieken kunnen worden toegepast - en niet al dergelijke moleculen kunnen worden gekristalliseerd.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe methode ontwikkeld door onderzoekers van MIT zou kunnen leiden tot een manier om afbeeldingen met hoge resolutie van individuele biomoleculen te produceren zonder dat kristallisatie nodig is, en het zou zelfs ingezoomde beeldvorming van specifieke plaatsen binnen de moleculen mogelijk maken. De techniek kan ook worden toegepast op het afbeelden van andere soorten materialen, inclusief tweedimensionale materialen en nanodeeltjes.

De bevindingen worden deze week gerapporteerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , in een paper van Paola Cappellaro, de Esther en Harold E. Edgerton Associate Professor of Nuclear Science and Engineering aan het MIT, en anderen aan het MIT en aan de Singapore University of Technology and Design.

"Er zijn voordelen aan het kunnen zien op het niveau van afzonderlijke eiwitmoleculen, " zegt Capellaro, omdat dat het mogelijk maakt om sommige moleculen in beeld te brengen die niet kunnen worden afgebeeld met de conventionele röntgenmethode. "Er zijn een aantal soorten moleculen, zoals membraaneiwitten, die vrij moeilijk te kristalliseren zijn."

De methode maakt gebruik van een type defect in diamantkristallen dat bekend staat als een stikstofvacaturecentrum - een plaats waar een van de koolstofatomen in het kristal is vervangen door een stikstofatoom. dergelijke gebreken, die diamanten een roze tint kan geven, het kristal extreem gevoelig maken voor veranderingen in magnetische en elektrische velden, waardoor het stikstofleegstandscentrum een ​​efficiënte detector is voor dergelijke variaties. Als een molecuul dicht bij het kristal is, stikstofvacatures nabij het kristaloppervlak zullen reageren op de kernspins in dat molecuul, en deze reactie kan worden gedetecteerd.

Maar deze sensoren zijn ernstig beperkt door de bemonsteringssnelheid van de microgolfpulsen die worden gebruikt om ze te onderzoeken. Nutsvoorzieningen, het onderzoeksteam heeft ontdekt dat deze beperking kan worden overwonnen met behulp van een methode die ze "kwantuminterpolatie, " die het oplossend vermogen van dergelijke systemen meer dan honderdvoudig verbetert, zegt Capellaro.

Om de kleine variaties van de magnetische velden te onthullen die geassocieerd zijn met sommige atomen in het molecuul waarvan de configuratie wordt geanalyseerd, het is noodzakelijk om veranderingen te observeren die plaatsvinden binnen een paar picoseconden, of biljoensten van een seconde. In principe, zulke kleine tijdsintervallen kunnen worden opgelost met behulp van grote, gespecialiseerde instrumenten, maar deze zijn erg duur en niet beschikbaar voor de meeste onderzoekers. Dus Cappellaro en haar studenten, geen toegang hebben tot dergelijke systemen, op zoek naar een goedkopere, eenvoudigere manier om dergelijke waarnemingen te doen.

Het nieuwe schema is vergelijkbaar met de manier waarop sommige camera's van mobiele telefoons een betere resolutie bieden door meerdere afbeeldingen van dezelfde scène te maken, met iets andere belichtingen, en vervolgens de afbeeldingen bij elkaar te voegen. Het is ook vergelijkbaar met geavanceerde technieken die door astronomen en NASA-onderzoekers worden gebruikt om de resolutie te verbeteren van afbeeldingen die zijn gemaakt door planetaire rovers of de Hubble-ruimtetelescoop. "We proberen na te bootsen wat het menselijk oog automatisch doet, " wat is om constant te bewegen en details op te bouwen door meerdere afbeeldingen van hetzelfde gebied, die de hersenen samenvoegen tot een enkel beeld, zegt Capellaro.

In dit geval, de techniek wordt toegepast op variaties in de sterkte van een magnetisch veld, in plaats van variaties in lichtintensiteit en kleur, maar de onderliggende principes zijn vergelijkbaar. En, overwegende dat de klassieke techniek bestaat uit het nemen van een reeks afbeeldingen en deze bij elkaar optellen, bij deze methode nemen de onderzoekers een enkel beeld, maar variëren de scheiding van microgolfpulsen tijdens de verwerving van dat beeld.

Door microgolfpulsen toe te passen die worden gescheiden door tijdstappen op een schaal van nanoseconden - meer dan 100 keer langer dan de gewenste tijdresolutie - kon het team de hogere resolutie bereiken die nodig zou zijn om gedetailleerde structurele informatie over de spin-toestand te krijgen van individuele atomen in biologische moleculen. De gegevens kunnen worden gebruikt om de complexe vormen van sommige biologisch belangrijke eiwitten en andere moleculen te ontrafelen, evenals andere soorten materialen.

Tot dusver, de proof-of-principle-experimenten van het team produceerden beelden van alleen de nucleaire spin die verband houdt met de sensor zelf - het stikstofvacaturecentrum in een diamantkristal. De volgende stap, waarvan Cappellaro zegt dat het binnen handbereik moet zijn nu het principe is gevalideerd, zal zijn om de methode uit te proberen op echte biomoleculen.

"Alle verschillende stukken zijn gedemonstreerd" om moleculaire beeldvorming mogelijk te maken, ze zegt. "Dus het combineren van de verschillende technieken zou een eenvoudige, hoewel moeilijk te bereiken, doel." De volgende stap, ze zegt, is om te zien "of we een enkel eiwit in zijn natuurlijke omgeving kunnen meten, " wat kan helpen om belangrijke functies zoals bindingssites te onthullen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.