211service.com
MRI vīrusiem
Magnētiskās rezonanses attēlveidošana jeb MRI ir medicīnas un neirozinātnes pētījumu pamats. Tas var neinvazīvi zondēt dziļi audos un sniegt informāciju par konkrētu ķīmisko vielu klātbūtni. Taču, tā kā tā uztvertie magnētiskie spēki ir tik niecīgi, MRI nav īpaši jutīgs: tas parasti atklāj struktūras no milimetra līdz submilimetram.
Nano adata: Uz šīs nanoizmēra silīcija konsoles gala ir piestiprināts neliels tabakas mozaīkas vīrusa paraugs. Kad ūdeņraža kodoli paraugā mijiedarbojas ar tuvumā esošo magnētu, konsoles nedaudz vibrē. Pārraugot šīs vibrācijas, izmantojot lāzeru, pētnieki var izveidot vīrusu 3-D attēlu. Šī metode, ko sauc par magnētiskās rezonanses spēka mikroskopiju, ir ievērojami samazināta MRI versija.
Tagad pētnieki plkst IBM Almaden pētniecības centrs , Kalifornijā, ir izstrādājuši MRI skeneri ar 100 miljonus reižu labāku izšķirtspēju, kas ir pietiekami laba, lai attēlotu atsevišķas vīrusu daļiņas. Ar turpmākiem uzlabojumiem šo paņēmienu kādu dienu varētu izmantot, lai radītu atsevišķu molekulu 3-D attēlus.
Sapnis par vienas molekulas attēlveidošanu ir kaut kas tāds, kas neļauj ķīmiķiem naktīs nomodā, saka Džons Mārons , Kornela universitātes ķīmijas un ķīmiskās bioloģijas asociētais profesors. Ja jums būtu šis rīks, nekas nebeidzas, ko jūs varētu darīt ar to, un nav gala arī labajam, kas no tā nāktu.
MRI izmanto faktu, ka dažu elementu, piemēram, ūdeņraža, kodoli darbojas kā mazi magnēti. Kad tiek pielietots ārējs magnētiskais lauks, šie kodoli griežas ap lauka virzienu raksturīgās frekvencēs, radot nelielas magnētiskas svārstības. Tipiskā MRI skenerī elektriskā spole nosaka šīs svārstības un izmanto tās, lai kartētu ūdeņraža kodolu telpisko sadalījumu, radot skenēto audu attēlu.
Tā kā MRI ir tik laba, lai izveidotu iekšējo struktūru 3-D attēlus, zinātnieki vēlētos to izmantot daudz mazāku bioloģisko paraugu, piemēram, atsevišķu proteīnu, attēlveidošanai. Bet noteikšanas spoles mērogs nav ļoti labs — jo mazāka ir spole, jo zemāka ir jutība, atstājot mazākus paraugus un smalkāku izšķirtspēju ārpus parastā MRI darbības jomas.
Jaunais IBM izstrādātais skeneris izmanto jaunu tehnoloģiju, ko sauc par magnētiskās rezonanses spēka mikroskopiju (MRFM). MRFM apiet MRI ierobežojumus, izmantojot fizisku, nevis elektrisku detektoru, lai uztvertu niecīgos magnētiskos spēkus, ko rada rotējoši kodoli.
Tas ir daudz jutīgāks veids, kā noteikt magnētismu no kodoliem, saka Dens Rugars, IBM Almaden pētniecības centra nanomēroga pētījumu vadītājs un komandas, kas izstrādāja jauno ierīci, vadītājs.
Rugars un viņa kolēģi novieto attēlojamo paraugu uz mazas, īpaši jutīgas silīcija konsoles gala. Netālu no gala ir ļoti mazs magnēts. Izmantojot mikroskopisku vadu, pētnieki ģenerē svārstīgo magnētisko lauku, kas liek paraugā esošajiem ūdeņraža kodoliem apgriezties uz priekšu un atpakaļ no magnēta piesaistīšanas un atbaidīšanas. Rezultātā radušās fiziskās vibrācijas konsolē tiek noteiktas ar lāzeru un tiek izmantotas attēla konstruēšanai.
Miniatūra MRI: IBM izstrādātās skenēšanas ierīces shēma. Paraugu novieto ultrajutīgas silīcija konsoles galā un novieto netālu no maza magnētiska gala. Mikrovads rada oscilējošu magnētisko lauku, kas liek ūdeņraža kodoliem plānā parauga daļā — rezonanses šķēlītē — apgriezties uz priekšu un atpakaļ no magnētiskā gala pievilkšanas un atgrūšanas. Rezultātā konsoles nedaudz vibrē. Šīs vibrācijas mēra, izmantojot lāzera inferometru, un pārvērš parauga 3-D attēlā.
Svārstību lauks ir precīzi noregulēts tā, lai reaģētu tikai kodoli ļoti mazā parauga daļā, ko sauc par rezonanses šķēli. Skenējot magnētu trīsdimensiju modelī, pētnieki var pārvietot rezonanses šķēli visā paraugā. Tieši šī precizitāte ļauj ierīcei izveidot tik augstas izšķirtspējas attēlu.
Citas augstas izšķirtspējas attēlveidošanas formas, piemēram, skenējošā tuneļa mikroskopija un atomu spēka mikroskopija, var redzēt tikai vielas virsmu. Rezonējošās šķēles dēļ MRFM var dziļi iekļūt paraugā, veidojot tā iekšējās struktūras 3-D attēlu.
MRFM pirmo reizi parādījās 90. gadu sākumā, un IBM ir bijis konsekvents līderis šajā jomā. 2004. gadā ievērojamā eksperimentā Rugars un viņa kolēģi izmantoja tehnoloģiju, lai noteiktu viena elektrona spinu. Pavisam nesen viņi ģenerēja nebioloģiska parauga attēlus ar izšķirtspēju līdz pat 90 nanometriem, kas ir daudz labāk nekā parastā MRI, bet ne tuvu pietiekami jutīgi, lai modelētu atsevišķas bioloģiskās struktūras.
Tagad, pēc gadiem ilgas rūpīgas pakāpeniskas progresa, Rugara komanda ir panākusi bioloģiskā parauga attēlveidošanu ar nanometru izšķirtspēju. Komanda izvēlējās izmantot izturīgo, labi saprotamo tabakas mozaīkas vīrusu kā koncepcijas pierādījumu un saskatīja četrus nanometrus mazas detaļas. .
Šī faktiski ir pirmā reize, kad šī metode tiek izmantota bioloģiskajā paraugā, saka Rugars. Mēs vēlējāmies parādīt, ka tas patiešām var darboties bioloģijā, jo galu galā tas ir mūsu vispārējais mērķis.
Šis veiksmīgais eksperiments paver durvis plašam bioloģisko pielietojumu klāstam, saka Rugars. Jo īpaši viņš vēlētos, lai varētu attēlot atsevišķus proteīnus, lai noteiktu to iekšējo trīsdimensiju struktūru.
Jūsu ķermenī ir tūkstošiem proteīnu, kuriem nav zināmas struktūras, jo nav metodes to struktūras noteikšanai, saka Rugars. Šobrīd proteīnu struktūras risināšanas zelta standarts ir rentgena kristalogrāfija, kas attiecas tikai uz olbaltumvielām, kuras var kristalizēt.
Uz nano-MRI skeneri šis ierobežojums neattiecas. Teorētiski ar turpmākiem izšķirtspējas uzlabojumiem būtu iespējams pārbaudīt proteīnus to sākotnējā stāvoklī, tos ātri sasaldējot. MRFM jāveic ļoti zemā temperatūrā – tik tikko virs absolūtās nulles –, lai samazinātu termisko vibrāciju radīto troksni.
Tā patiesā nozīme ir tāda, ka tas parāda, ka MRFM robežas nav sasniegtas un viņi joprojām ir ceļā uz atomu attēlu veidotāju, saka. Džonatans Džekijs , Vašingtonas universitātes pētnieks. Atomu mēroga attēlveidotājs būtu viens no visu laiku nozīmīgākajiem zinātniskajiem instrumentiem. Tas būtu vienā līmenī ar teleskopu vai gaismas mikroskopu. Tas ir tas, kas šajā patiesībā ir aizraujošs.