211service.com
Det första magnetresonansmikroskopet har mänsklig biokemi i sikte
Magnetisk resonanstomografi är ett av den moderna vetenskapens mirakel. Den producerar icke-invasiva 3D-bilder av kroppen med hjälp av ofarliga magnetfält och radiovågor. Och med några ytterligare knep kan den också avslöja detaljer om den biokemiska sammansättningen av vävnad.
Det biokemiska tricket kallas magnetisk resonansspektroskopi, och det är ett kraftfullt verktyg för läkare och forskare som studerar kroppens biokemi, inklusive metabola förändringar i tumörer i hjärnan och i muskler.
Men denna teknik är inte perfekt. Upplösningen av magnetisk resonansspektroskopi är begränsad till längdskalor på cirka 10 mikrometer. Och det finns en värld av kemisk och biologisk aktivitet i mindre skala som forskare helt enkelt inte kan komma åt på detta sätt.
Så läkare och forskare skulle verkligen älska att ha ett magnetiskt resonansmikroskop som kan studera kroppsvävnad och de biokemiska reaktionerna i den i mycket mindre skalor.
Idag säger David Simpson och kompisar vid University of Melbourne i Australien att de har byggt ett magnetiskt resonansmikroskop med en upplösning på bara 300 nanometer som kan studera biokemiska reaktioner på tidigare ofattbara skalor. Deras nyckelgenombrott är en exotisk diamantsensor som skapar magnetiska resonansbilder på liknande sätt som ett ljuskänsligt CCD-chip i en kamera.
Magnetisk resonanstomografi fungerar genom att placera ett prov i ett magnetfält som är så kraftfullt att atomkärnorna alla blir inriktade; med andra ord, de snurrar alla på samma sätt. När dessa kärnor zappas med radiovågor, blir kärnorna exciterade och sänder sedan ut radiovågor när de slappnar av. Genom att studera mönstret för återutsända radiovågor är det möjligt att räkna ut var de kommer ifrån och på så sätt bygga upp en bild av provet.
Signalerna avslöjar också hur atomerna är bundna till varandra och de biokemiska processerna som fungerar. Men upplösningen av denna teknik är begränsad av hur nära radiomottagaren kan komma till provet.
Ange Simpson och co, som har byggt en helt ny typ av magnetisk resonanssensor av diamantfilm. Den hemliga såsen i denna sensor är en rad kväveatomer som har bäddats in i en diamantfilm på ett djup av cirka sju nanometer och cirka 10 nanometer från varandra.
Kväveatomer är användbara eftersom när de är inbäddade i diamant kan de fås att fluorescera. Och när de befinner sig i ett magnetfält är färgen de producerar mycket känslig för spinn av atomer och elektroner i närheten eller, med andra ord, för den lokala biokemiska miljön.
Så i den nya maskinen placerar Simpson och co sitt prov ovanpå diamantsensorn, i ett kraftfullt magnetfält och zappar det med radiovågor. Alla förändringar i tillståndet hos närliggande kärnor gör att kvävegruppen fluorescerar i olika färger. Och uppsättningen av kväveatomer producerar en sorts bild, precis som ett ljuskänsligt CCD-chip. Allt Simpson och co gör är att övervaka detta fyrverkeri för att se vad som händer.
För att sätta den nya tekniken igenom dess takt, studerar Simpson och co beteendet hos hexaaqua koppar(2+)-komplex i vattenlösning. Hexaaqua koppar finns i många enzymer som använder den för att införliva koppar i metalloproteiner. Fördelningen av koppar under denna process, och den roll den spelar i cellsignalering, är dock dåligt förstådd eftersom det är omöjligt att visualisera in vivo.
Simpson och co visar hur detta nu kan göras med deras nya teknik, som de kallar kvantmagnetisk resonansmikroskopi. De visar hur deras nya sensor kan avslöja den rumsliga fördelningen av koppar 2+ joner i volymer på bara några attoLitre och med hög upplösning. Vi visar avbildningsupplösning vid diffraktionsgränsen (~300 nm) med spinnkänsligheter i intervallet zeptomol (10-21), säger Simpson och co. De visar också hur tekniken avslöjar redoxreaktionerna som jonerna genomgår. Och allt detta gör de i rumstemperatur.
Det är ett imponerande arbete som har viktiga konsekvenser för framtida studier av biokemi. Arbetet visar att kvantavkänningssystem kan ta emot den fluktuerande Brownska miljön som påträffas i 'riktiga' kemiska system och de inneboende fluktuationerna i spinmiljön hos joner som genomgår ligandomarrangemang, säger Simpson och co.
Det gör det till ett kraftfullt nytt verktyg som kan förändra hur vi förstår biologiska processer. Simpson och co är optimistiska om dess potential. Kvantmagnetisk resonansmikroskopi är idealisk för att undersöka fundamental biokemi i nanoskala såsom bindningshändelser på cellmembran och den intracellulära övergångsmetallkoncentrationen i periplasman av prokaryota celler.
Ref: arxiv.org/abs/1702.04418 : Kvantmagnetisk resonansmikroskopi