Un nuovo modo di lavorare rotori in microscala da diamante crystal può abilitare dispositivi NMR ultrasensibili per sondare proteine e altri materiali.
Molti dei materiali biologici che i ricercatori sono più interessati a studiare, compresi quelli associati alle principali malattie, non si prestano ai metodi convenzionali che i ricercatori usano tipicamente per sondare la struttura e la chimica di un materiale.
I ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo per realizzare rotori minuscoli e precisi con puro cristallo di diamante (cilindro all’estrema destra), che può ruotare a frequenze molto più elevate rispetto ai rotori realizzati con materiali convenzionali. Illustrazione di ricercatori / MIT
Una tecnica, chiamata risonanza magnetica nucleare rotante ad angolo magico, o MAS-NMR, si è dimostrata molto efficace come metodo per determinare le proprietà di molecole complesse come alcune proteine.
Ma la risoluzione ottenibile con tali sistemi dipende dalla frequenza di rotazione di minuscoli rotori, e questi sistemi hanno urtato i limiti imposti dai materiali del rotore.
La maggior parte di questi dispositivi utilizzati oggi si basa su rotori in zirconia stabilizzata con ittrio, che sono sottili come uno spillo. Tali rotori si disgregano se fatti girare molto più velocemente di qualche milione di giri al minuto, limitando i materiali che possono essere studiati con tali sistemi.
Questi minuscoli rotori potrebbero rendere possibile l’uso della risonanza magnetica nucleare con rotazione ad angolo magico, o MAS-NMR, per determinare le proprietà strutturali e chimiche di alcune molecole biologiche complesse. Immagine per gentile concessione dei ricercatori / MIT
Ma ora, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo per realizzare questi minuscoli e precisi rotori con puro cristallo di diamante, la cui forza molto maggiore potrebbe consentirgli di ruotare a frequenze molto più elevate.
Il progresso apre la porta allo studio di un’ampia varietà di molecole importanti, comprese quelle che si trovano nelle placche amiloidi associate al morbo di Alzheimer.
Il nuovo metodo di produzione di rotori a base diamantata è descritto nel Giornale di risonanza magneticain un carta degli studenti laureati del MIT Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks e David Preiss; i professori Robert Griffin, Neil Gershenfeld e Keith Nelson; e altri sette al MIT.
Una vista al microscopio di un rotore diamantato a forma di tubo visto da un’estremità, che mostra la precisa forma rotonda e l’apertura centrale perfettamente allineata. Poiché i rotori girano a velocità così elevate, afferma Neil Gershenfeld, le instabilità possono facilmente derivare da qualsiasi imperfezione. “Se c’è anche una leggera asimmetria nella struttura, a queste frequenze, sei condannato.” Crediti immagine: per gentile concessione dei ricercatori / MIT
La tecnica MAS-NMR, afferma Gershenfeld, “è lo strumento preferito per [analyzing] proteine biologiche complesse in ambienti biologicamente significativi.
Ad esempio, un campione potrebbe essere analizzato in un ambiente liquido anziché essere essiccato o cristallizzato o rivestito per l’esame. “Soltanto [solid-state] L’NMR lo fa nell’ambiente chimico ambientale “, afferma.
Il metodo di base esiste da decenni, spiega Griffin, e comporta il posizionamento di un minuscolo cilindro riempito con il materiale da studiare in un campo magnetico dove può essere sospeso e fatto ruotare ad alte frequenze utilizzando getti di gas, solitamente azoto, e quindi fulminato. con impulsi a radiofrequenza per determinare le proprietà chiave del materiale.
Clip monocromatica animata dell’interno di un diamante rotante mentre il foro al centro si illumina diventando sempre più rotondo. Linee rosse che ricordano un mirino da tiro si sovrappongono all’animazione. Questo mostra il processo di creazione di un cilindro cavo da un blocco di diamante. Il diamante gira mentre un raggio laser brucia i suoi strati esterni e il suo interno. Credito immagine: per gentile concessione dei ricercatori / MIT
Il termine “angolo magico” si riferisce al fatto che se il cilindro contenente il campione ruota di un angolo preciso (54,74 gradi) rispetto al campo magnetico applicato, varie fonti di ampliamento delle righe spettrali vengono attenuate e uno spettro a risoluzione molto più elevata è possibile.
Ma la risoluzione di questi spettri è direttamente limitata dalla velocità con cui i minuscoli cilindri, o rotori, possono ruotare prima di frantumarsi. Nel corso degli anni, le prime versioni sono state realizzate in varie materie plastiche, successivamente sono stati utilizzati materiali ceramici e infine zirconio, “che è il materiale preferito di cui è fatta la maggior parte dei rotori in questi giorni”, afferma Griffin.
Tali sistemi MAS-NMR sono ampiamente utilizzati nella ricerca biochimica come strumento per studiare la struttura molecolare, fino al livello dei singoli atomi, di materiali tra cui proteine che sono difficili o impossibili da sondare utilizzando altri metodi di laboratorio standard.
Questi includono non solo le fibrille amiloidi, ma anche le proteine di membrana e alcuni gruppi virali. Ma alcune delle sfide più urgenti sia nella scienza biomedica che in quella dei materiali si trovano appena oltre la portata della risoluzione degli odierni sistemi MAS-NMR.
“Man mano che siamo passati a frequenze di rotazione superiori a 100 kilohertz”, equivalenti a 6 milioni di giri al minuto, afferma Griffin, “questi rotori sono diventati molto problematici. Falliscono circa il 50 percento delle volte e perdi un campione e distrugge la bobina NMR.
Il team ha deciso di affrontare il problema, che molti all’epoca ritenevano impossibile, di realizzare i rotori con un singolo cristallo di diamante.
Anche l’azienda che ha realizzato il sistema laser che hanno utilizzato pensava che non si potesse fare, e ci sono voluti anni di lavoro da parte di un team interdisciplinare, che ha coinvolto studenti e ricercatori sia del Center for Bits and Atoms sia del Dipartimento di Chimica del MIT, per risolvere quella fabbricazione problema. (La collaborazione è nata da Griffin e Gershenfeld che prestavano servizio nel Killian Award Committee del MIT).
Hanno sviluppato una sorta di sistema di tornio basato su laser che fa ruotare rapidamente un pezzo di diamante mentre lo colpisce con il laser, essenzialmente vaporizzando i suoi strati esterni fino a quando rimane un cilindro perfettamente liscio, di soli 0,7 millimetri di diametro (circa 1/36 di pollice). Quindi, lo stesso laser viene utilizzato per praticare un foro perfettamente centrato attraverso il centro del cilindro, lasciando una sorta di forma a cannuccia.
“Non è ovvio che funzionerebbe”, dice Gershenfeld, “ma il laser trasforma il diamante in grafite e allontana il carbonio, e puoi farlo in modo incrementale per perforare in profondità il diamante”.
Il diamante emerge dal processo di lavorazione con un rivestimento nero di pura grafite, ma i ricercatori del MIT hanno scoperto che questo potrebbe essere eliminato riscaldando il rotore durante la notte a circa 600 gradi Celsius (circa 1.100 gradi Fahrenheit).
Il risultato è un rotore che può già girare a 6 milioni di giri al minuto, la velocità dei migliori rotori in zirconia, e presenta anche altre caratteristiche vantaggiose, tra cui l’altissima conducibilità termica e la trasparenza in radiofrequenza.
Fredin sottolinea che tutte le parti necessarie per realizzare questo sistema di lavorazione ad alta precisione “sono state tutte progettate e fabbricate proprio qui” in un laboratorio nel seminterrato del Center for Bits and Atoms.
“Essere in grado di progettare e realizzare fisicamente tutto e ripeterlo molte volte al giorno internamente è stato un aspetto cruciale di questo progetto, invece di dover inviare le cose a officine esterne”.
Raggiungere frequenze di rotazione molto più elevate dovrebbe ora essere possibile con questi nuovi rotori, affermano i ricercatori, ma richiederà lo sviluppo di nuovi cuscinetti e nuovi sistemi basati sull’elio anziché sull’azoto per guidare la rotazione, al fine di raggiungere le maggiori velocità e il corrispondente salto di risoluzione.
“Non è mai valsa la pena sviluppare questi cuscinetti compatibili con l’elio per questi piccoli rotori fino a quando questa tecnologia non è stata dimostrata, quando i rotori utilizzati in precedenza non sarebbero stati in grado di sopportare le velocità di rotazione”, che potrebbero arrivare fino a 20 milioni giri al minuto, dice Golota.
Velocità di rotazione così elevate sono quasi sconosciute al di fuori del campo NMR. Preiss dice che come ingegnere meccanico, “è raro incontrare qualcosa che gira sopra le decine di migliaia di giri al minuto”. Quando ha sentito per la prima volta la cifra di 6 milioni di giri per questi dispositivi, dice: “Ho pensato che fosse uno scherzo”.
A causa di queste alte velocità, dice Gershenfeld, le instabilità possono facilmente derivare da qualsiasi imperfezione: “Se c’è anche una leggera asimmetria nella struttura, a queste frequenze, sei condannato”.
Golota afferma che nei suoi esperimenti utilizzando gli attuali rotori in zirconia, “quando i rotori si guastano, esplodono e in sostanza recuperi solo polvere. Ma quando i rotori diamantati si guastano, siamo riusciti a recuperarli intatti. Quindi, stai salvando anche il campione, che può essere una risorsa inestimabile per l’utente.
Hanno già utilizzato il nuovo rotore diamantato per produrre gli spettri di carbonio-13 e azoto-15 di un piccolo peptide, dimostrando chiaramente le capacità del nuovo materiale del rotore diamantato, che secondo Griffin è il primo nuovo materiale per tali rotori da sviluppare in gli ultimi tre decenni.
“Abbiamo ampiamente utilizzato spettri come questi”, dice, “per determinare la struttura dell’amiloide-beta 1-42, che è una specie tossica nell’Alzheimer”. I campioni di tale materiale sono difficili da ottenere e di solito ottenibili solo in piccole quantità, dice.
“Ora disponiamo di un piccolo rotore che, si spera, sarà molto affidabile in cui è possibile inserire due o tre milligrammi di materiale e ottenere dati spettrali come questi”, afferma, indicando i dati del campione che hanno ottenuto. “È davvero entusiasmante e aprirà molte nuove aree di ricerca”.
Questo lavoro “è davvero notevole”, afferma David Doty, presidente di Doty Scientific, un produttore di sistemi NMR, che non è stato coinvolto in questo lavoro. “Sarebbe stato molto difficile trovare qualcuno al di fuori di questo gruppo che avrebbe pensato che fosse possibile lavorare al laser i rotori diamantati con la precisione necessaria per il fast-MAS, prima di vederlo effettivamente funzionare”, afferma.
Doty aggiunge: “Quello che hanno dimostrato finora… è a dir poco sorprendente. Se è possibile compiere gli ulteriori progressi necessari, centinaia di ricercatori NMR vorranno che questi li aiutino a ottenere dati migliori per i progetti su cui stanno lavorando, dal miglioramento della nostra comprensione di alcune malattie e dallo sviluppo di farmaci migliori allo sviluppo di materiali avanzati per batterie.
“Questa nuova tecnologia ha il potenziale per cambiare le regole del gioco nel modo in cui condurremo esperimenti NMR a stato solido in futuro, aprendo opportunità sperimentali senza precedenti in termini di risoluzione e sensibilità”, afferma Anne Lesage, direttore aggiunto dell’istituto di scienze analitiche presso l’Ecole Normale Superieure di Lione, in Francia, anch’essa non associata a questo lavoro.
Scritto da David L. Chandler
Fonte: Istituto di Tecnologia del Massachussetts
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
