Il primo microscopio a risonanza magnetica ha nel mirino la biochimica umana

La risonanza magnetica è uno dei miracoli della scienza moderna. Produce immagini 3D non invasive del corpo utilizzando campi magnetici innocui e onde radio. E con alcuni trucchi aggiuntivi, può anche rivelare dettagli sulla composizione biochimica dei tessuti.

Quel trucco biochimico è chiamato spettroscopia di risonanza magnetica ed è un potente strumento per medici e ricercatori che studiano la biochimica del corpo, compresi i cambiamenti metabolici nei tumori nel cervello e nei muscoli.

Ma questa tecnica non è perfetta. La risoluzione della spettroscopia di risonanza magnetica è limitata a scale di lunghezza di circa 10 micrometri. E c'è un mondo di attività chimiche e biologiche su scala più piccola a cui gli scienziati semplicemente non possono accedere in questo modo.

Quindi medici e ricercatori apprezzerebbero moltissimo avere un microscopio a risonanza magnetica in grado di studiare il tessuto corporeo e le reazioni biochimiche al suo interno su scale molto più piccole.

Oggi, David Simpson e i suoi amici dell'Università di Melbourne in Australia affermano di aver costruito un microscopio a risonanza magnetica con una risoluzione di soli 300 nanometri in grado di studiare reazioni biochimiche su scale prima inimmaginabili. La loro svolta chiave è un sensore a diamante esotico che crea immagini di risonanza magnetica in modo simile a un chip CCD sensibile alla luce in una fotocamera.

La risonanza magnetica funziona posizionando un campione in un campo magnetico così potente che tutti i nuclei atomici si allineano; in altre parole, girano tutti allo stesso modo. Quando questi nuclei vengono colpiti dalle onde radio, i nuclei si eccitano e quindi emettono onde radio mentre si rilassano. Studiando lo schema delle onde radio riemesse, è possibile capire da dove provengono e costruire così un'immagine del campione.

I segnali rivelano anche come gli atomi sono legati tra loro e i processi biochimici al lavoro. Ma la risoluzione di questa tecnica è limitata da quanto il ricevitore radio può avvicinarsi al campione.

Entrano Simpson e compagni, che hanno costruito un tipo completamente nuovo di sensore di risonanza magnetica con pellicola diamantata. La salsa segreta in questo sensore è una serie di atomi di azoto che sono stati incorporati in una pellicola di diamante a una profondità di circa sette nanometri ea una distanza di circa 10 nanometri.

Gli atomi di azoto sono utili perché, se incorporati nel diamante, possono diventare fluorescenti. E quando si trova in un campo magnetico, il colore che producono è molto sensibile allo spin di atomi ed elettroni vicini o, in altre parole, all'ambiente biochimico locale.

Quindi, nella nuova macchina, Simpson e compagni posizionano il loro campione sopra il sensore del diamante, in un potente campo magnetico e lo colpiscono con le onde radio. Qualsiasi cambiamento nello stato dei nuclei vicini provoca la fluorescenza della matrice di azoto in vari colori. E la serie di atomi di azoto produce una sorta di immagine, proprio come un chip CCD sensibile alla luce. Tutto ciò che Simpson e co fanno è monitorare questo spettacolo pirotecnico per vedere cosa sta succedendo.

Per mettere alla prova la nuova tecnica, Simpson e colleghi studiano il comportamento dei complessi esaaqua rame(2+) in soluzione acquosa. Il rame Hexaaqua è presente in molti enzimi che lo utilizzano per incorporare il rame nelle metalloproteine. Tuttavia, la distribuzione del rame durante questo processo e il ruolo che svolge nella segnalazione cellulare è poco conosciuta perché è impossibile da visualizzare in vivo.

Simpson e colleghi mostrano come questo può essere fatto ora usando la loro nuova tecnica, che chiamano microscopia a risonanza magnetica quantistica. Mostrano come il loro nuovo sensore può rivelare la distribuzione spaziale degli ioni rame 2+ in volumi di pochi attoLitre e ad alta risoluzione. Dimostriamo la risoluzione dell'immagine al limite di diffrazione (~ 300 nm) con sensibilità di spin nell'intervallo zeptomol (10-21), affermano Simpson e co. Mostrano anche come la tecnica rivela le reazioni redox che subiscono gli ioni. E fanno tutto questo a temperatura ambiente.

È un lavoro impressionante che ha importanti implicazioni per il futuro studio della biochimica. Il lavoro dimostra che i sistemi di rilevamento quantistico possono adattarsi all'ambiente browniano fluttuante che si incontra nei sistemi chimici 'reali' e alle fluttuazioni intrinseche nell'ambiente di spin degli ioni sottoposti a riarrangiamento del ligando, affermano Simpson e co.

Ciò lo rende un nuovo potente strumento che potrebbe cambiare il modo in cui comprendiamo i processi biologici. Simpson e compagni sono ottimisti riguardo al suo potenziale. La microscopia a risonanza magnetica quantistica è ideale per sondare la biochimica fondamentale su scala nanometrica come gli eventi di legame sulle membrane cellulari e la concentrazione di metalli di transizione intracellulari nel periplasma delle cellule procariotiche.

Rif: arxiv.org/abs/1702.04418 : Microscopia a risonanza magnetica quantistica

nascondere