La nuova lavorazione di rotori diamantati su microscala potrebbe migliorare gli studi sulle proteine

Jul 30, 2023

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 nucleare di rotazione ad angolo magico la risonanza magnetica, 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 di minuscoli rotori, e questi sistemi hanno urtato i limiti imposti dai materiali del rotore. La maggior parte di questi dispositivi utilizzati oggi si basa su rotori realizzati in zirconio stabilizzato con ittrio, che sono sottili quanto 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 e 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 il posizionamento di un minuscolo cilindro riempito con il materiale da studiare in un campo magnetico dove viene può essere sospeso e ruotato ad alte frequenze utilizzando getti di gas, solitamente azoto, e quindi colpito 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. Per gentile concessione dei ricercatori, 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 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 utilizzato 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. "Mentre 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, distruggendo la 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. Persino l'azienda produttrice del sistema laser utilizzato pensava che fosse impossibile e ci vollero anni di lavoro. da un team interdisciplinare, che coinvolge studenti e ricercatori sia del Centro per i bit e gli atomi del MIT che del Dipartimento di Chimica, per risolvere il problema di fabbricazione. (La collaborazione è nata dal fatto che Griffin e Gershenfeld prestavano servizio nel Killian Award Committee del MIT). Hanno sviluppato una sorta di sistema di tornio basato sul laser che fa girare rapidamente un pezzo di diamante mentre lo colpisce con il laser, vaporizzando essenzialmente i suoi strati esterni fino a quando rimane un cilindro perfettamente liscio, di soli 0,7 millimetri di diametro (circa 1/36 di pollice). Quindi, lo stesso laser viene utilizzato per praticare un foro perfettamente centrato al centro del cilindro, lasciando una sorta di forma a cannuccia. "Non è ovvio che funzionerebbe", dice Gershenfeld, "ma il laser trasforma il diamante in grafite. e allontana il carbonio, e puoi farlo in modo incrementale per perforare in profondità il diamante. "Il diamante emerge dal processo di lavorazione con un rivestimento nero di pura grafite, ma i ricercatori del MIT hanno scoperto che questo potrebbe essere eliminato riscaldando il rotore durante la notte a circa 600 gradi Celsius (circa 1.100 gradi Fahrenheit). Il risultato è un rotore che può già girare a 6 milioni di giri al minuto, la velocità dei migliori rotori in zirconio, e ha anche altre caratteristiche vantaggiose, tra cui conduttività termica estremamente elevata e trasparenza della radiofrequenza. Fredin sottolinea che tutte le parti necessarie per realizzare questo sistema di lavorazione ad alta precisione "sono state tutte progettate e fabbricate proprio qui" in un laboratorio seminterrato nel Centro per Bit e Atomi. "Essere in grado di progettare fisicamente, realizzare tutto e iterarlo più volte al giorno internamente è stato un aspetto cruciale di questo progetto, invece di dover inviare le cose ad officine meccaniche esterne." Ora dovrebbe essere possibile raggiungere frequenze di filatura molto più elevate possibile con questi nuovi rotori, dicono i ricercatori, ma richiederà lo sviluppo di nuovi cuscinetti e nuovi sistemi basati sull’elio anziché sull’azoto per azionare la rotazione, al fine di ottenere velocità più elevate e il corrispondente salto di risoluzione. "Non è mai valso la pena sviluppare questi cuscinetti compatibili con l'elio per questi piccoli rotori finché questa tecnologia non è stata provata, quando i rotori precedentemente utilizzati non sarebbero stati in grado di sopportare le velocità di rotazione", che potrebbero arrivare fino a 20 milioni giri al minuto, dice Golota. Velocità di rotazione così elevate sono quasi inaudite al di fuori del campo NMR. Preiss afferma che, essendo un ingegnere meccanico, "è raro incontrare qualcosa che gira a più di decine di migliaia di giri al minuto". Quando ha sentito per la prima volta la cifra di 6 milioni di giri per questi dispositivi, dice: "Ho pensato che fosse uno scherzo". A causa di queste velocità elevate, dice Gershenfeld, possono facilmente verificarsi instabilità da qualsiasi imperfezione: "Se c'è anche una leggera asimmetria nella struttura, a queste frequenze, sei condannato." Golota dice che nei suoi esperimenti utilizzando gli attuali rotori in zirconio, "quando i rotori si guastano, esplodono e sostanzialmente si recupera solo polvere. Ma quando i rotori di diamante si guastano, noi siamo riusciti a recuperarli intatti. Quindi, stai salvando anche il campione, che può essere una risorsa inestimabile per l'utente. "Hanno già utilizzato il nuovo rotore diamantato per produrre gli spettri di carbonio-13 e azoto-15 di un piccolo peptide, dimostrando chiaramente le capacità del nuovo materiale del rotore di diamante, che secondo Griffin è il primo nuovo materiale per tali rotori ad essere sviluppato negli ultimi tre decenni. "Abbiamo utilizzato ampiamente spettri come questi", afferma, "per determinare la struttura dell'amiloide-beta 1-42, che è una specie tossica nel morbo di Alzheimer". Campioni di questo materiale sono difficili da ottenere e di solito sono ottenibili solo in piccole quantità, dice. "Ora disponiamo di un piccolo rotore che, si spera, sarà molto affidabile in cui è possibile inserire due o tre milligrammi di materiale e ottenere dati spettrali come questi", afferma, indicando i dati campione ottenuti. "È davvero entusiasmante e aprirà molte nuove aree di ricerca". Questo lavoro "è davvero notevole", afferma David Doty, presidente di Doty Scientific, un produttore di sistemi NMR, che non è stato coinvolto in questo lavoro. "Sarebbe stato molto difficile trovare qualcuno al di fuori di questo gruppo che avrebbe pensato che fosse possibile lavorare i rotori di diamante con la precisione necessaria per il fast-MAS, prima di vederlo effettivamente funzionare", dice. Doty aggiunge: "Quello che pensano hanno dimostrato finora... è a dir poco sorprendente. Se si potranno fare gli ulteriori progressi necessari, centinaia di ricercatori NMR vorranno che questi li aiutino a ottenere dati migliori per i progetti su cui stanno lavorando, dal miglioramento della nostra comprensione di alcune malattie allo sviluppo di farmaci migliori per lo sviluppo di materiali avanzati per batterie.""Questa nuova tecnologia ha il potenziale per cambiare le regole del gioco nel modo in cui condurremo futuri esperimenti NMR allo stato solido, aprendo opportunità sperimentali senza precedenti in termini di risoluzione e sensibilità," afferma Anne Lesage, direttrice aggiunta dell'istituto di scienze analitiche presso l'Ecole Normale Superieure di Lione, in Francia, anch'essa non associata a questo lavoro. Del gruppo di ricerca facevano parte anche Salima Bahri, Daniel Banks, Prashant Patil, William Langford, Camron Blackburn , Erik Strand, Brian Michael e Blake Dastrup, tutti al MIT. Il lavoro è stato sostenuto dal National Institutes of Health degli Stati Uniti, dal fondo CBA Consortia, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation degli Stati Uniti.