超灵敏核磁共振设备可以改善蛋白质的研究

许多生物材料研究人员最感兴趣的研究,包括那些与重大疾病相关,不适合传统的方法,研究人员通常使用探针材料的结构和化学。

一个名叫魔角自旋核磁共振技术,或MAS-NMR,已被证明成功的确定复杂分子的性质等一些蛋白质。但分辨率实现这样的系统依赖于小转子的旋转频率,和这些系统已经碰到了强加的限制转子材料。

今天大多数此类设备的使用依赖于转子由yttria-stabilized氧化锆,骨瘦如柴。这种转子崩溃如果旋转速度远远超过每分钟几百万革命,限制了材料,可以用这样的系统研究。但是现在,麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法,使这些小,精确转子的纯钻石晶体,其更大的力量可以让它以更高的旋转频率。提前打开门研究各种各样的重要分子,包括那些在与阿尔茨海默病相关的淀粉样斑块。

描述的新方法磁共振杂志,在一个纸由麻省理工学院研究生娜塔莉戈洛,Zachary Fredin,丹尼尔银行,和大卫Preiss;教授罗伯特·格里芬,Neil Gershenfeld和基思·纳尔逊;和麻省理工学院的七人。

MAS-NMR技术,Gershenfeld说,“选择的工具[分析]复杂生物蛋白质在生理上有意义的环境中。“例如,样本可以分析在液体环境中,而不是晒干或结晶或涂层检查。“只有固态核磁共振它周围的化学环境,”他说。

的基本方法已经存在了几十年,格里芬解释说,是把一个小缸满材料研究到一个磁场,可以暂停,然后到高频率使用的气体,通常氮,然后用射频脉冲轰击来确定材料的关键属性。“魔角”一词指的是事实,如果包含样品旋转的圆柱体在一个精确的角(54.74度)相对于应用磁场,各种来源的谱线展宽的减毒和高分辨率的光谱是可能的。

但这些光谱的分辨率是直接限制了小缸,以多快的速度或转子,可以旋转粉碎。多年来,早期版本的各种塑料,然后陶瓷材料被使用,最后锆,”这是材料的选择,大多数转子的这些天,”格里芬说。

这种MAS-NMR系统广泛应用于生化研究作为研究分子结构,工具材料到单个原子的水平,包括蛋白质困难或无法探测使用其他标准的实验室方法。这些不仅包括淀粉样原纤维,但膜蛋白和一些病毒程序集。但一些最紧迫的挑战在生物医学和材料科学躺在达到今天的MAS-NMR系统的分辨率。

“正如我们发展到旋转频率100赫兹以上,“相当于每分钟600万转,格里芬说,“这些转子已经成为非常有问题。他们失败了大约50%的时间,你失去了一个示例,它破坏了核磁共振线圈。“团队决定解决这个问题,许多人说当时是不可能的,使转子的单晶钻石。

甚至公司让他们使用的激光系统认为它无法完成,需要多年的工作的一个跨学科团队,涉及学生和研究人员在麻省理工学院的比特和原子中心和化学系,解决工艺问题。(格里芬和的合作源于Gershenfeld担任麻省理工的基奖委员会)。他们开发了一种基于激光的车床系统,快速旋转一块钻石,同时通过使用激光,本质上蒸发外层直到光滑圆柱体,直径只有0.7毫米(约1/36英寸)。然后,使用相同的激光钻洞为中心的完美的中间圆柱,留下一种饮料吸管的形状。

“这不是明显的工作,“Gershenfeld说,“但激光把钻石变成了碳石墨和驱动,你可以逐步做到钻深入钻石。”

钻石加工过程中出现黑色涂层的纯石墨,但是麻省理工学院的研究人员发现,这可能是通过加热消除转子在一夜之间大约600摄氏度(1100华氏度)。结果是一个可以旋转的转子在每分钟600万转的速度最好的氧化锆转子,和有其他有利的特征,包括极高的热导率和射频的透明度。

Fredin指出,所有的部分需要高精度加工系统“这里都是设计和制造”在地下室实验室和原子中心的一位。“能够物理设计,让一切,每天多次迭代它内部是这个项目的一个至关重要的方面,而不是发送机器商店外。”

现在应该可以实现更高的旋转频率与这些新的转子,研究人员说,但新轴承和新系统的开发需要基于氦,而不是氮驱动旋转,以达到增加的速度和相应的飞跃的决议。“这是不值得为这些小开发这些helium-compatible轴承转子直到证明了这种技术,当转子之前将无法承受使用旋转速度,“这最终可能高达每分钟2000万转,戈洛塔说。

如此高的旋转率核磁共振领域之外的几乎是闻所未闻。Preiss说,作为一个机械工程师,“你很少会遇到一些旋转超过成千上万的rpm。“当他第一次听到这些设备的600万rpm的人物,他说,“我认为这是一个笑话。”

Gershenfeld说,由于这些高速不稳定很容易出现任何缺陷:“如果甚至有轻微的不对称结构,在这些频率,你注定要失败。”

戈洛塔说,在她的实验使用当前的氧化锆转子,“当转子失败时,他们会爆炸,你基本上只是尘埃中恢复过来。但当钻石转子失败时,我们能够恢复完好无损。所以,你保存样本,这可以是一个无价的资源给用户。”

他们已经使用了新的钻石转子产生碳13和氮15光谱的小肽,清楚地展示新钻石转子的功能材料,格里芬说这是第一个转子等新材料开发在过去的30年。“我们这样的光谱广泛使用,”他说,“来确定结构的β-淀粉样蛋白1-42,在阿尔茨海默病是一种有毒的物种。“样品的材料是很难获得,通常只有极少量的获得,他说。“我们现在有一个小转子,是希望很可靠,你可以把两个或三个毫克的材料,这样的光谱数据,”他说,指着他们获得的样本数据。“这真是激动人心,它会打开很多的研究新领域。”

这项工作“是非凡的,”David Doty说,总统Doty科学、核磁共振系统制造商,他并没有参与这项工作。“就很难找到这个组以外的任何人谁会想到有可能所需的精密激光加工机床钻石转子fast-MAS,真正看到它工作之前,”他说。

Doty补充说,“他们已经证明了迄今为止…是惊人的。如果额外的需要可以取得进展,数以百计的核磁共振研究人员希望这些帮助他们获得更好的数据对他们正在做的项目,从改善我们对一些疾病的理解和发展更好的药物开发先进电池材料。”

”这种新技术有可能会改变我们的将来进行固态核磁共振实验,开放前所未有的分辨率和灵敏度方面的实验机会,”安妮勒说,兼职分析科学研究所的主任在里昂高等师范学院,法国,他也没有与此相关的工作。

参考:戈洛数控、Fredin ZP银行DP, et al。钻石转子。J增效的原因。2023;352:107475。doi:10.1016 / j.jmr.2023.107475

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