MRT för virus

Magnetisk resonanstomografi, eller MRI, är en stöttepelare inom medicin och neurovetenskaplig forskning. Den kan noninvasivt sondera djupt inne i vävnader och ger information om förekomsten av specifika kemikalier. Men eftersom de magnetiska krafterna som den upptäcker är så små, är MRI inte särskilt känslig: den avslöjar vanligtvis strukturer på millimeter till submillimeterskala.

Nano nål: Ett litet prov av tobaksmosaikvirus är fäst på spetsen av denna nanostora kiselkonsol. När vätekärnor i provet interagerar med en närliggande magnet vibrerar fribäraren något. Genom att övervaka dessa vibrationer via laser kan forskare konstruera en 3D-bild av virusen. Denna teknik, som kallas magnetisk resonanskraftsmikroskopi, är en kraftigt nedskalad version av MRI.

Nu forskare vid IBM Almaden Research Center , i Kalifornien, har utvecklat en MRI-skanner med upplösning 100 miljoner gånger bättre än så – tillräckligt bra för att avbilda enskilda viruspartiklar. Med ytterligare förfining kan tekniken en dag användas för att generera 3D-bilder av enskilda molekyler.

Drömmen om att avbilda en enda molekyl är något som håller kemister uppe på natten, säger man John Marohn , en docent i kemi och kemisk biologi vid Cornell University. Om du hade det här verktyget finns det inget slut på saker du kan göra med det, och det finns inget slut på det goda som skulle komma ur det.

MRT använder sig av det faktum att kärnorna i vissa grundämnen, såsom väte, fungerar som små magneter. När ett externt magnetfält appliceras, roterar dessa kärnor runt fältets riktning vid karakteristiska frekvenser, vilket genererar små magnetiska fluktuationer. I en typisk MRI-skanner detekterar en elektrisk spole dessa fluktuationer och använder dem för att kartlägga den rumsliga fördelningen av vätekärnor, vilket genererar en bild av den skannade vävnaden.

Eftersom MRT är så bra på att skapa 3D-bilder av inre strukturer, skulle forskare vilja använda den för att avbilda mycket mindre biologiska prover, såsom enskilda proteiner. Men detektionsspolen skalar inte ner särskilt bra - ju mindre spolen är, desto lägre känslighet - vilket lämnar mindre prover och finare upplösning utanför ramen för konventionell MRT.

Den nya skannern som utvecklats av IBM använder en framväxande teknologi som kallas magnetisk resonanskraftmikroskopi (MRFM). MRFM kringgår begränsningarna för MRT genom att använda en fysisk, snarare än elektrisk, detektor för att fånga upp de minimala magnetiska krafterna som genereras av roterande kärnor.

Det är ett mycket känsligare sätt att upptäcka magnetismen från kärnorna, säger Dan Rugar, chef för nanoskalastudier vid IBM Almaden Research Center och ledare för teamet som utvecklade den nya enheten.

Rugar och hans kollegor placerar provet som ska avbildas på spetsen av en liten, utsökt känslig kiselkonsol. Nära spetsen finns en mycket liten magnet. Med hjälp av en mikroskopisk tråd genererar forskarna ett oscillerande magnetfält som får vätekärnorna i provet att vända fram och tillbaka mellan att attrahera och stöta bort magneten. De resulterande fysiska vibrationerna i konsolen detekteras av en laser och används för att konstruera en bild.

Miniatyr MR: Ett schema över skanningsenheten utvecklad av IBM. Provet placeras i änden av en ultrakänslig kiselkonsol och placeras nära en liten magnetisk spets. En mikrotråd producerar ett oscillerande magnetfält som gör att vätekärnor i en tunn del av provet – resonansskivan – vänder fram och tillbaka mellan att dra till sig och stöta bort den magnetiska spetsen. Som ett resultat vibrerar konsolen något. Dessa vibrationer mäts med en laserinferometer och översätts till en 3D-bild av provet.

Det oscillerande fältet är exakt avstämt så att endast kärnorna i en mycket liten flisa av provet, som kallas resonansskivan, svarar. Genom att skanna magneten i ett tredimensionellt mönster kan forskarna flytta resonansskivan genom hela provet. Det är denna precision som gör att enheten kan skapa en så högupplöst bild.

Andra former av högupplöst bildåtergivning, såsom scanning tunnelmikroskopi och atomkraftsmikroskopi, kan bara se ytan av ett ämne. På grund av resonansskivan kan MRFM tränga djupt in i provet och bygga en 3D-bild av dess inre struktur.

MRFM uppstod först i början av 1990-talet och IBM har varit en konsekvent ledare på området. I ett landmärkeexperiment 2004 använde Rugar och hans kollegor tekniken för att detektera spinn av en enskild elektron. På senare tid genererade de bilder av ett icke-biologiskt prov med en upplösning på så bra som 90 nanometer - mycket bättre än konventionell MRI, men inte tillräckligt känslig för att modellera individuella biologiska strukturer.

Nu, efter år av mödosamma stegvisa framsteg, har Rugars team uppnått nanometerupplösningsavbildning av ett biologiskt prov. Teamet valde att använda det härdiga, välkända tobaksmosaikviruset som ett bevis på konceptet och såg detaljer så små som fyra nanometer. .

Det är faktiskt första gången den här tekniken har använts på ett biologiskt prov, säger Rugar. Vi ville visa att det verkligen kunde göra biologi, för trots allt är det vårt övergripande mål.

Detta framgångsrika experiment öppnar dörren till ett brett utbud av biologiska tillämpningar, säger Rugar. I synnerhet skulle han vilja kunna avbilda enskilda proteiner för att bestämma deras inre tredimensionella struktur.

Du har tusentals proteiner i din kropp som inte har någon känd struktur, eftersom det inte finns någon teknik för att bestämma deras struktur, säger Rugar. Just nu är guldstandarden för att lösa proteinstruktur röntgenkristallografi, som är begränsad till proteiner som kan kristalliseras.

Nano-MRI-skannern skulle inte vara föremål för den begränsningen. I teorin, med ytterligare förbättringar i upplösning, skulle det vara möjligt att undersöka proteiner i deras ursprungliga tillstånd genom att snabbt frysa dem. MRFM måste utföras vid en mycket låg temperatur – knappt över absolut noll – för att minimera bullret som skapas av termiska vibrationer.

Den verkliga betydelsen av detta är att det visar att gränserna för MRFM inte har nåtts, och de är fortfarande på väg att göra en atomkamera, säger Jonathan Jacky , en forskare vid University of Washington. En avbildare i atomskala skulle vara ett av de viktigaste vetenskapliga instrumenten någonsin. Det skulle vara på samma nivå som teleskopet eller ljusmikroskopet. Det är det som är riktigt spännande med det här.

Dölj