MIT-Forscher haben eine Methode entwickelt, um drastisch erhöhen die Empfindlichkeit der magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie (NMR), eine Technik zur Untersuchung der Struktur und Zusammensetzung von vielen Arten von Molekülen, einschließlich Proteinen verknüpft mit Alzheimer-Krankheit und andere Krankheiten.
Mit dieser neuen Methode, die Wissenschaftler sollten in der Lage sein, zu analysieren, in wenigen Minuten Strukturen, die früher Jahre gedauert, Sie zu entziffern, sagt Robert Griffin, Arthur Amos Noyes, Professor der Chemie. Der neue Ansatz, der sich auf kurzen Pulsen von Mikrowellen-Leistung, könnte es den Forschern erlauben, zu bestimmen, Strukturen für viele komplexe Proteine, die schwierig gewesen, zu studieren, bis jetzt.
„Diese Technik öffnen sollten, umfangreiche neue Gebiete der chemischen, biologischen Materialien, und medizinische Wissenschaft, die gegenwärtig unerreichbar“, sagt Griffin, der senior-Autor der Studie.
MIT postdoc Kong Ooi, Tan ist der führende Autor des Papiers, die sich in den Wissenschaften Fortschritte auf Jan. 18. Ehemaligen MIT-Doktoranden Chen Yang und Guinevere-Mathies, und Ralph Weber von Bruker BioSpin Corporation, sind auch Autoren des Papiers.
Verbesserte Empfindlichkeit
Traditionelle NMR nutzt die magnetischen Eigenschaften von Atomkernen zu offenbaren die Strukturen der Moleküle mit den Kernen. Mit einem starken Magnetfeld, das in Wechselwirkung mit den kernspins der Wasserstoff-und anderen isotopenmarkierter Atome wie Kohlenstoff oder Stickstoff, NMR-Maßnahmen eine Eigenschaft, bekannt als Chemische Verschiebung für diese Kerne. Diese Verschiebungen sind einzigartig für jedes atom und dienen damit als Fingerabdrücke, welche weiteren Anwendungen genutzt werden können, um zu zeigen, wie diese Atome miteinander verbunden sind.
Die Empfindlichkeit der NMR-hängt davon ab, die Atome “ Polarisation — eine Messung der Differenz zwischen der Bevölkerung von „oben“ und „unten“ nuclear spins in jedem spin-Ensembles. Je größer die Polarisation, desto größer ist die Empfindlichkeit, erreicht werden kann. In der Regel, werden die Forscher versuchen, erhöhen Sie die Polarisierung Ihrer Proben durch die Anwendung eines stärkeren magnetischen Feld, bis zu 35 tesla.
Ein weiterer Ansatz, der Griffin und Richard Temkin des MIT Plasma Science and Fusion Center wurden die Entwicklung der vergangenen 25 Jahre, weiter erhöht die Polarisation mit einer Technik namens dynamic nuclear Polarisation (DNP). Diese Technik beinhaltet die übertragung der Polarisation von ungepaarten Elektronen der freien Radikale, Wasserstoff -, Kohlenstoff -, Stickstoff-oder Phosphor-Kerne in der Probe untersucht. Dies erhöht die Polarisation und macht es einfacher zu entdecken, die Molekül-Struktur-Funktionen.
DNP ist in der Regel durchgeführt durch die kontinuierliche Bestrahlung der Probe mit Hochfrequenz-Mikrowellen, mit einem instrument namens ein gyrotron. Dies verbessert die NMR-Empfindlichkeit um etwa das 100-fache. Diese Methode erfordert jedoch sehr viel Kraft und funktioniert nicht gut bei höheren magnetischen Felder, die noch größere Verbesserung in der Auflösung.
Zu überwinden, das problem, das MIT-team kam mit einer Lösung für die Bereitstellung von kurzen Pulsen von Mikrowellen-Strahlung, anstelle von kontinuierlichen Mikrowellen-Exposition. Durch die Bereitstellung dieser Impulse in einer bestimmten Frequenz, Sie waren in der Lage, zur Verbesserung der Polarisation um einen Faktor von bis zu 200. Dies ist ähnlich wie die Verbesserung erreicht, die mit traditionellen DNP, benötigt aber nur 7 Prozent der Leistung, und im Gegensatz zu herkömmlichen DNP, es kann implementiert werden, bei höheren Magnetfeldern.
„Wir können die übertragung der Polarisation in einer sehr effizienten Weise, durch effiziente Verwendung von Mikrowellen-Bestrahlung,“ Tan sagt. „Mit continuous-wave-Bestrahlung, die Sie gerade sprengen Mikrowelle macht, und Sie haben keine Kontrolle über Phasen-oder Puls-Länge.“
Das spart Zeit
Mit dieser Verbesserung in der Empfindlichkeit, die Proben, die zuvor getroffen haben, fast 110 Jahre zu analysieren, könnte untersucht werden, in einem einzigen Tag, sagen die Forscher. In den Wissenschaften Fortschritte Papier, Sie demonstriert die Technik durch den Einsatz von it zu analysieren standard-test-Moleküle wie ein Glycerin-Wasser-Gemisch, aber Sie jetzt planen, es zu benutzen auf mehr komplexe Moleküle.
Ein großer Bereich von Interesse ist die amyloid-beta-protein, das sich in den Gehirnen von Alzheimer-Patienten. Die Forscher planen, um zu studieren eine Vielzahl von Membran-gebundenen Proteine, wie Ionenkanäle und rhodopsine, die sind lichtempfindliche Proteine, die in bakteriellen Membranen, sowie die menschliche Netzhaut. Weil die Empfindlichkeit so groß ist, kann diese Methode die Ausbeute nützliche Daten aus einer viel kleineren Stichprobe, die machen könnte es leichter zu studieren Proteine, die schwierig zu erhalten sind, in großen Mengen.
Finanziert wurde die Forschung von der National Institute of Biomedical Imaging und Bioengineering, die Schweizer National Science Foundation und der deutschen Forschungsgemeinschaft.
