Un nuovo modo di lavorare minuscoli rotori di diamante potrebbe migliorare gli studi sulle proteine

Sep 07, 2023

24 maggio 2023

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di David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology

Molti dei materiali biologici che i ricercatori sono maggiormente interessati a studiare, compresi quelli associati alle principali malattie, non si prestano ai metodi convenzionali che i ricercatori utilizzano tipicamente per sondare la struttura e la chimica di un materiale.

Una tecnica, chiamata risonanza magnetica nucleare con rotazione ad angolo magico, o MAS-NMR, si è rivelata molto efficace come metodo per determinare le proprietà di molecole complesse come alcune proteine. Ma la risoluzione ottenibile con tali sistemi dipende dalla frequenza di rotazione dei minuscoli rotori, e questi sistemi hanno urtato i limiti imposti dai materiali del rotore.

La maggior parte di questi dispositivi utilizzati oggi si basano su rotori realizzati in zirconio stabilizzato con ittrio, sottili come uno spillo. Tali rotori si sfaldano se fatti girare molto più velocemente di qualche milione di giri al minuto, limitando i materiali che possono essere studiati con tali sistemi. Ma ora, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo per realizzare questi minuscoli e precisi rotori in puro cristallo di diamante, la cui forza molto maggiore potrebbe consentirgli di ruotare a frequenze molto più elevate. Questo progresso apre la porta allo studio di un'ampia varietà di molecole importanti, comprese quelle trovate nelle placche amiloidi associate al morbo di Alzheimer.

Il nuovo metodo è descritto nel Journal of Magnetic Resonance, in un articolo degli studenti laureati del MIT Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks e David Preiss; i professori Robert Griffin, Neil Gershenfeld e Keith Nelson; e altri sette al MIT.

La tecnica MAS-NMR, afferma Gershenfeld, "è lo strumento di scelta per [analizzare] proteine ​​biologiche complesse in ambienti biologicamente significativi". Ad esempio, un campione potrebbe essere analizzato in un ambiente liquido anziché essere essiccato, cristallizzato o rivestito per l'esame. "Solo l'NMR [allo stato solido] lo fa nell'ambiente chimico ambientale", afferma.

Il metodo di base esiste da decenni, spiega Griffin, e prevede di posizionare un minuscolo cilindro riempito con il materiale da studiare in un campo magnetico dove può essere sospeso e fatto girare ad alte frequenze utilizzando getti di gas, solitamente azoto, e poi fatto esplodere. con impulsi a radiofrequenza per determinare le proprietà chiave del materiale. Il termine "angolo magico" si riferisce al fatto che se il cilindro contenente il campione ruota di un angolo preciso (54,74 gradi) rispetto al campo magnetico applicato, varie fonti di allargamento delle linee spettrali vengono attenuate e uno spettro con una risoluzione molto più elevata è possibile.

Ma la risoluzione di questi spettri è direttamente limitata dalla velocità con cui i minuscoli cilindri, o rotori, possono girare prima di frantumarsi. Nel corso degli anni, le prime versioni furono realizzate in varie plastiche, poi furono utilizzati materiali ceramici e infine lo zirconio, "che è il materiale preferito di cui è fatta la maggior parte dei rotori al giorno d'oggi", afferma Griffin.

Tali sistemi MAS-NMR sono ampiamente utilizzati nella ricerca biochimica come strumento per studiare la struttura molecolare, fino al livello dei singoli atomi, di materiali comprese le proteine ​​che sono difficili o impossibili da sondare utilizzando altri metodi di laboratorio standard. Questi includono non solo le fibrille amiloidi, ma anche le proteine ​​di membrana e alcuni complessi virali. Ma alcune delle sfide più urgenti sia nella scienza biomedica che in quella dei materiali si trovano appena oltre la portata della risoluzione degli odierni sistemi MAS-NMR.

"Man mano che progredivamo verso frequenze di rotazione superiori a 100 kilohertz", equivalenti a 6 milioni di giri al minuto, afferma Griffin, "questi rotori sono diventati molto problematici. Si guastano circa il 50% delle volte, e si perde un campione e si distrugge il Bobina NMR." Il team decise di affrontare il problema, che molti all'epoca ritenevano impossibile, di realizzare i rotori con un singolo cristallo di diamante.