211service.com
Pirmā magnētiskās rezonanses mikroskopa redzeslokā ir cilvēka bioķīmija
Magnētiskās rezonanses attēlveidošana ir viens no mūsdienu zinātnes brīnumiem. Tas rada neinvazīvus 3-D ķermeņa attēlus, izmantojot nekaitīgus magnētiskos laukus un radioviļņus. Un ar dažiem papildu trikiem tas var arī atklāt detaļas par audu bioķīmisko sastāvu.
Šo bioķīmisko triku sauc par magnētiskās rezonanses spektroskopiju, un tas ir spēcīgs instruments ārstiem un pētniekiem, kas pēta ķermeņa bioķīmiju, tostarp vielmaiņas izmaiņas audzējos smadzenēs un muskuļos.
Bet šī tehnika nav ideāla. Magnētiskās rezonanses spektroskopijas izšķirtspēja ir ierobežota līdz aptuveni 10 mikrometru garuma skalām. Un pastāv mazāka mēroga ķīmisko un bioloģisko aktivitāšu pasaule, kurai zinātnieki vienkārši nevar piekļūt šādā veidā.
Tāpēc ārstiem un pētniekiem ļoti patiktu magnētiskās rezonanses mikroskops, kas varētu pētīt ķermeņa audus un tajos notiekošās bioķīmiskās reakcijas daudz mazākā mērogā.
Šodien Deivids Simpsons un draugi no Melburnas universitātes Austrālijā stāsta, ka ir uzbūvējuši magnētiskās rezonanses mikroskopu ar tikai 300 nanometru izšķirtspēju, kas spēj pētīt bioķīmiskās reakcijas iepriekš neiedomājamos mērogos. Viņu galvenais izrāviens ir eksotiskais dimanta sensors, kas rada magnētiskās rezonanses attēlus līdzīgi kā gaismas jutīga CCD mikroshēma kamerā.
Magnētiskās rezonanses attēlveidošana darbojas, ievietojot paraugu tik spēcīgā magnētiskajā laukā, ka visi atomu kodoli izlīdzinās; citiem vārdiem sakot, tie visi griežas vienādi. Kad šie kodoli tiek satriekti ar radioviļņiem, kodoli kļūst satraukti un pēc tam izstaro radioviļņus, kad tie atslābina. Pētot atkārtoti izstaroto radioviļņu modeli, ir iespējams noskaidrot, no kurienes tie nāk, un tādējādi izveidot parauga attēlu.
Signāli arī atklāj, kā atomi ir saistīti viens ar otru un notiek bioķīmiskie procesi. Bet šīs metodes izšķirtspēju ierobežo tas, cik tuvu radio uztvērējs var nokļūt paraugā.
Ienāciet Simpsons un viņa kolēģi, kuri ir izveidojuši pilnīgi jauna veida magnētiskās rezonanses sensoru no dimanta plēves. Slepenā mērce šajā sensorā ir slāpekļa atomu masīvs, kas ir iestrādāts dimanta plēvē aptuveni septiņu nanometru dziļumā un aptuveni 10 nanometru attālumā viens no otra.
Slāpekļa atomi ir noderīgi, jo, iestrādājot dimantā, tos var padarīt fluorescējošus. Un, atrodoties magnētiskajā laukā, to radītā krāsa ir ļoti jutīga pret tuvumā esošo atomu un elektronu griešanos vai, citiem vārdiem sakot, pret vietējo bioķīmisko vidi.
Tātad jaunajā iekārtā Simpsons un kolēģi novieto savu paraugu dimanta sensora augšpusē spēcīgā magnētiskajā laukā un satriec to ar radioviļņiem. Jebkuras izmaiņas blakus esošo kodolu stāvoklī izraisa slāpekļa masīva fluorescēšanu dažādās krāsās. Un slāpekļa atomu masīvs rada sava veida attēlu, gluži kā gaismas jutīga CCD mikroshēma. Viss, ko Simpsons un viņa dara, ir uzraudzīt šo uguņošanu, lai redzētu, kas notiek.
Lai ieviestu jauno tehniku, Simpsons un kolēģi pēta heksaaqua vara (2+) kompleksu uzvedību ūdens šķīdumā. Hexaaqua varš atrodas daudzos fermentos, kas to izmanto, lai iekļautu varu metaloproteīnos. Tomēr vara izplatība šī procesa laikā un tā loma šūnu signalizācijā ir slikti saprotama, jo to nav iespējams vizualizēt in vivo.
Simpsons un kolēģi parāda, kā to tagad var izdarīt, izmantojot savu jauno tehniku, ko viņi sauc par kvantu magnētiskās rezonanses mikroskopiju. Tie parāda, kā viņu jaunais sensors var atklāt vara 2+ jonu telpisko sadalījumu tikai dažu attolitru apjomā un augstā izšķirtspējā. Mēs demonstrējam attēlveidošanas izšķirtspēju pie difrakcijas robežas (~ 300 nm) ar griešanās jutību zeptomola (10–21) diapazonā, saka Simpsons un citi. Tie arī parāda, kā šis paņēmiens atklāj redoksreakcijas, kas notiek jonos. Un viņi to visu dara istabas temperatūrā.
Tas ir iespaidīgs darbs, kas būtiski ietekmē turpmāko bioķīmijas izpēti. Darbs parāda, ka kvantu sensoru sistēmas var pielāgoties mainīgajai Brauna videi, kas sastopama “īstajās” ķīmiskajās sistēmās, un raksturīgās svārstības jonu griešanās vidē, kas tiek pakļauti ligandu pārkārtošanai, saka Simpsons un kolēģi.
Tas padara to par spēcīgu jaunu rīku, kas varētu mainīt veidu, kā mēs saprotam bioloģiskos procesus. Simpsons un citi ir optimistiski par tā potenciālu. Kvantu magnētiskās rezonanses mikroskopija ir ideāli piemērota fundamentālas nanomēroga bioķīmijas zondēšanai, piemēram, saistīšanās notikumu uz šūnu membrānām un intracelulāro pārejas metālu koncentrācijas prokariotu šūnu periplazmā.
Atsauce: arxiv.org/abs/1702.04418 : kvantu magnētiskās rezonanses mikroskopija