Risonanza magnetica per virus

La risonanza magnetica, o MRI, è un pilastro della ricerca in medicina e neuroscienza. Può sondare in modo non invasivo i tessuti profondi e fornisce informazioni sulla presenza di sostanze chimiche specifiche. Ma poiché le forze magnetiche che rileva sono così piccole, la risonanza magnetica non è molto sensibile: in genere rivela strutture su una scala da millimetrica a submillimetrica.

Nano ago: Sulla punta di questo cantilever in silicio di dimensioni nanometriche è fissato un piccolo campione del virus del mosaico del tabacco. Quando i nuclei di idrogeno all'interno del campione interagiscono con un magnete vicino, il cantilever vibra leggermente. Monitorando queste vibrazioni tramite laser, i ricercatori possono costruire un'immagine 3D dei virus. Questa tecnica, chiamata microscopia a forza di risonanza magnetica, è una versione massicciamente ridotta della risonanza magnetica.

Ora i ricercatori a Centro di ricerca IBM Almaden , in California, hanno sviluppato uno scanner per risonanza magnetica con una risoluzione 100 milioni di volte migliore di quella, abbastanza buono per l'immagine di singole particelle virali. Con ulteriori perfezionamenti, la tecnica potrebbe un giorno essere utilizzata per generare immagini 3D di singole molecole.

Il sogno di immaginare una singola molecola è qualcosa che tiene svegli i chimici la notte, dice Giovanni Marohn , professore associato di chimica e biologia chimica alla Cornell University. Se avessi questo strumento, non c'è fine alle cose che potresti fare con esso, e non c'è fine al bene che ne deriverebbe.

La risonanza magnetica sfrutta il fatto che i nuclei di alcuni elementi, come l'idrogeno, si comportano come minuscoli magneti. Quando viene applicato un campo magnetico esterno, questi nuclei ruotano attorno alla direzione del campo a frequenze caratteristiche, generando minuscole fluttuazioni magnetiche. In un tipico scanner MRI, una bobina elettrica rileva queste fluttuazioni e le utilizza per mappare la distribuzione spaziale dei nuclei di idrogeno, generando un'immagine del tessuto scansionato.

Poiché la risonanza magnetica è così efficace nel creare immagini 3D delle strutture interne, gli scienziati vorrebbero sfruttarla per l'imaging di campioni biologici molto più piccoli, come le singole proteine. Ma la bobina di rilevamento non si ridimensiona molto bene: più piccola è la bobina, minore è la sensibilità, lasciando campioni più piccoli e una risoluzione più fine al di fuori dell'ambito della risonanza magnetica convenzionale.

Il nuovo scanner sviluppato da IBM sfrutta una tecnologia emergente chiamata microscopia a forza di risonanza magnetica (MRFM). MRFM aggira i limiti della risonanza magnetica utilizzando un rilevatore fisico, anziché elettrico, per rilevare le minuscole forze magnetiche generate dai nuclei rotanti.

È un modo molto più sensibile di rilevare il magnetismo dai nuclei, afferma Dan Rugar, responsabile degli studi su nanoscala presso l'IBM Almaden Research Center e leader del team che ha sviluppato il nuovo dispositivo.

Rugar e i suoi colleghi posizionano il campione da acquisire sulla punta di un minuscolo cantilever di silicio squisitamente sensibile. Vicino alla punta c'è un magnete molto piccolo. Utilizzando un filo microscopico, i ricercatori generano un campo magnetico oscillante che fa sì che i nuclei di idrogeno all'interno del campione si capovolgano avanti e indietro tra l'attrazione e la repulsione del magnete. Le vibrazioni fisiche risultanti nel cantilever vengono rilevate da un laser e utilizzate per costruire un'immagine.

risonanza magnetica in miniatura: Uno schema del dispositivo di scansione sviluppato da IBM. Il campione viene posto all'estremità di un cantilever in silicio ultrasensibile e posizionato vicino a una minuscola punta magnetica. Un microfilo produce un campo magnetico oscillante che fa sì che i nuclei di idrogeno in una sezione sottile del campione, la fetta risonante, si capovolgano avanti e indietro tra l'attrazione e la repulsione della punta magnetica. Di conseguenza, il cantilever vibra leggermente. Queste vibrazioni vengono misurate utilizzando un inferometro laser e tradotte in un'immagine 3D del campione.

Il campo oscillante è sintonizzato con precisione in modo che solo i nuclei in un frammento molto piccolo del campione, chiamato fetta risonante, rispondano. Scansionando il magnete in uno schema tridimensionale, i ricercatori possono spostare la fetta risonante in tutto il campione. È questa precisione che consente al dispositivo di creare un'immagine ad alta risoluzione.

Altre forme di imaging ad alta risoluzione, come la microscopia a effetto tunnel e la microscopia a forza atomica, possono vedere solo la superficie di una sostanza. A causa della fetta risonante, MRFM può penetrare in profondità nel campione, costruendo un'immagine 3D della sua struttura interna.

MRFM è emerso per la prima volta nei primi anni '90 e IBM è stata un leader coerente nel settore. In un esperimento fondamentale nel 2004, Rugar e i suoi colleghi hanno utilizzato la tecnologia per rilevare lo spin di un singolo elettrone. Più di recente, hanno generato immagini di un campione non biologico con una risoluzione di 90 nanometri, molto meglio della risonanza magnetica convenzionale, ma non abbastanza sensibile da modellare le singole strutture biologiche.

Ora, dopo anni di scrupolosi progressi incrementali, il team di Rugar ha ottenuto l'imaging a risoluzione nanometrica di un campione biologico. Il team ha scelto di utilizzare il virus del mosaico del tabacco, resistente e ben compreso, come prova del concetto e ha visto dettagli piccoli come quattro nanometri. .

Questa è in realtà la prima volta che questa tecnica è stata utilizzata su un campione biologico, afferma Rugar. Volevamo dimostrare che poteva davvero fare la biologia, perché dopo tutto, questo è il nostro obiettivo generale.

Questo esperimento di successo apre le porte a un'ampia gamma di applicazioni biologiche, afferma Rugar. In particolare, vorrebbe essere in grado di visualizzare singole proteine ​​per determinarne la struttura tridimensionale interna.

Hai migliaia di proteine ​​nel tuo corpo che non hanno una struttura nota, perché non esiste una tecnica per determinarne la struttura, dice Rugar. In questo momento, il gold standard per risolvere la struttura delle proteine ​​è la cristallografia a raggi X, che è limitata alle proteine ​​che possono essere cristallizzate.

Lo scanner nano-MRI non sarebbe soggetto a tale vincolo. In teoria, con ulteriori miglioramenti nella risoluzione, sarebbe possibile esaminare le proteine ​​nel loro stato nativo congelandole rapidamente. La MRFM deve essere eseguita a una temperatura molto bassa, appena sopra lo zero assoluto, per ridurre al minimo il rumore creato dalle vibrazioni termiche.

Il vero significato di questo è che mostra che i limiti di MRFM non sono stati raggiunti e sono ancora sulla buona strada per realizzare un imager atomico, afferma Jonathan Jacky , ricercatore presso l'Università di Washington. Un imager su scala atomica sarebbe uno degli strumenti scientifici più significativi di sempre. Sarebbe allo stesso livello del telescopio o del microscopio ottico. Questo è ciò che è veramente eccitante in questo.

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