Kärnmagnetiska resonansskannrar, som är bekant från sjukhus, är nu extremt känsliga. En kvantsensor utvecklad av ett team under ledning av professor Jörg Wrachtrup vid universitetet i Stuttgart och forskare vid Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, gör det nu möjligt att använda kärnmagnetisk resonansskanning för att till och med undersöka strukturen hos enskilda proteiner atom för atom. I framtiden, Metoden skulle kunna hjälpa till att diagnostisera sjukdomar i ett tidigt skede genom att upptäcka de första defekta proteinerna.

Många sjukdomar har sitt ursprung i defekta proteiner. Eftersom proteiner är viktiga biokemiska motorer, defekter kan leda till störningar i ämnesomsättningen. Defekta prioner, som orsakar hjärnskador vid BSE och Creutzfeldt-Jakobs sjukdom, är ett exempel. Patologiskt förändrade prioner har defekter i sin komplexa molekylstruktur. Problemet:individuella defekta proteiner kan också inducera defekter i närliggande intakta proteiner via en sorts dominoeffekt och därmed utlösa en sjukdom. Det skulle därför vara mycket användbart om läkare kunde upptäcka den första, fortfarande enskilda prioner med fel struktur. Det har, dock, hittills inte varit möjligt att belysa strukturen hos en enskild biomolekyl.

I en artikel publicerad i Vetenskap , ett team av forskare från Stuttgart har nu presenterat en metod som kan användas i framtiden för tillförlitlig undersökning av enskilda biomolekyler. Detta är viktigt inte bara för att bekämpa sjukdomar, men också för kemisk och biokemisk grundforskning.

Metoden innebär miniatyrisering av kärnmagnetisk resonanstomografi (NMR) som är känd från medicinteknik, som brukar kallas MR-skanning inom det medicinska området. NMR använder sig av en speciell egenskap hos atomerna - deras spinn. I enkla termer, spinn kan ses som rotationen av atomkärnor och elektroner runt sin egen axel, förvandlar partiklarna till små, snurrande stångmagneter. Hur dessa magneter beter sig är karakteristiskt för varje typ av atom och varje kemiskt element. Varje partikel svänger alltså med en specifik frekvens.

I medicinska tillämpningar, det är normalt att endast en typ av atom detekteras i kroppen – väte, till exempel. Vätehalten i de olika vävnaderna gör att kroppens inre kan särskiljas med hjälp av olika kontraster.

Strukturell upplösning på atomnivå

När man belyser strukturen av biomolekyler, å andra sidan, varje enskild atom måste bestämmas och biomolekylens struktur sedan dechiffreras bit för bit. Den avgörande aspekten här är att NMR-detektorerna är så små att de uppnår upplösning i nanometerskala och är så känsliga att de kan mäta enskilda molekyler exakt. Det är mer än fyra år sedan som forskarna som arbetar med Jörg Wrachtrup först designade en så liten NMR-sensor; Det gjorde det inte, dock, tillåta dem att skilja mellan enskilda atomer.

För att uppnå upplösning på atomnivå, forskarna måste kunna skilja på de frekvenssignaler de får från de enskilda atomerna i en molekyl – på samma sätt som en radio identifierar en radiostation med hjälp av dess karakteristiska frekvens. Frekvenserna för signalerna som emitteras av atomerna i ett protein är de frekvenser vid vilka atomstångsmagneterna i proteinet snurrar. Dessa frekvenser ligger väldigt nära varandra, som om alla radiostationers sändningsfrekvenser försökte klämma in sig på en mycket smal bandbredd. Det är första gången som forskarna i Stuttgart har uppnått en frekvensupplösning där de kan urskilja enskilda typer av atomer.

"Vi har utvecklat den första kvantsensorn som kan detektera frekvenserna för olika atomer med tillräcklig precision och därmed lösa upp en molekyl nästan i sina individuella atomer, säger Jörg Wrachtrup. Det är alltså nu möjligt att skanna en stor biomolekyl, som det var. Sensorn, som fungerar som en minut NMR-antenn, är en diamant med en kväveatom inbäddad i dess kolgitter nära kristallens yta. Fysikerna kallar platsen för kväveatomen för NV-centrum:N för kväve och V för vakans, som hänvisar till en saknad elektron i diamantgittret i direkt anslutning till kväveatomen. Ett sådant NV-centrum detekterar kärnspinnet hos atomer som ligger nära detta NV-centrum.

Enkelt men väldigt exakt

Spinnfrekvensen för det magnetiska momentet för en atom som just har mätts överförs till det magnetiska momentet i NV-centrum, som kan ses med ett speciellt optiskt mikroskop som en färgförändring.

Kvantsensorn uppnår så hög känslighet, eftersom det kan lagra frekvenssignaler från en atom. En enda mätning av en atoms frekvens skulle vara för svag för kvantsensorn och möjligen för bullrig. Minnet gör att sensorn kan lagra många frekvenssignaler under en längre tidsperiod, dock, och därmed ställa in sig mycket exakt på en atoms svängningsfrekvens – på samma sätt som en högkvalitativ kortvågsmottagare tydligt kan lösa radiokanaler som ligger väldigt nära varandra.

Denna teknik har andra fördelar förutom sin höga upplösning:den fungerar i rumstemperatur och, till skillnad från andra högkänsliga NMR-metoder som används i biokemisk forskning, det kräver inget vakuum. Dessutom, dessa andra metoder fungerar i allmänhet nära absolut noll - minus 273,16 grader Celsius - vilket kräver komplex kylning med helium.

Framtida användningsområde:hjärnforskning

Jörg Wrachtrup ser inte ett utan flera framtida användningsområden för sina högupplösta kvantsensorer. "Det är tänkbart att i framtiden, det kommer att vara möjligt att upptäcka enskilda proteiner som har genomgått en märkbar förändring i det tidiga stadiet av en sjukdom och som hittills har förbisetts." Wrachtrup samarbetar med ett industriföretag om en lite större kvantsensor som kan användas i framtiden för att upptäcka hjärnans svaga magnetfält. "Vi kallar den här sensorn för hjärnläsaren. Vi hoppas att den ska hjälpa oss att dechiffrera hur hjärnan fungerar – och den skulle vara ett bra komplement till de konventionella elektriska enheterna som härrör från EEG" – elektroencefalogrammet. För hjärnläsaren, Wrachtrup arbetar redan med sin industriella partner på en hållare och ett hölje så att enheten är lätt att bära och att använda i vardagen. För att nå denna punkt, dock, det kommer att ta minst tio år till av forskning.