Australiska forskare har utvecklat ett nytt verktyg för att avbilda liv i nanoskala som kommer att ge nya insikter om vilken roll övergångsmetalljoner som koppar spelar i neurodegenerativa sjukdomar.

I en ny tidning som publicerades idag i Naturkommunikation , ett team av forskare vid University of Melbourne avslöjar en "kvantkänguru" som visar ett sätt att upptäcka och avbilda elektroniska snurr på ett icke-invasivt sätt med omgivande känslighet och upplösning som aldrig tidigare uppnåtts. Genombrottet kommer att ge läkare och forskare ett nytt verktyg för att undersöka vilken roll övergångsmetalljoner spelar i biologi och sjukdomar.

Elektronspinnresonans (ESR)-tekniker har varit en stöttepelare för att förstå biokemiska processer i biologiska system. Ändå har ESR inte sett den snabba tillväxten jämfört med sin systerteknologi, Nukleär magnetisk resonans, som nu är en mogen teknologi som används vid magnetisk resonanstomografi (MRT) för att titta in i kroppen.

Både ESR och NMR applicerar ett magnetfält på bildmolekyler, men till skillnad från NMR, ESR kan avslöja biokemi relaterad till metalljoner och fria radikaler. Utmaningen är att i biologiska system är den detekterbara koncentrationen av elektronspinn många storleksordningar lägre än kärnspinn. Därav, vägspärren för utvecklingen av ESR-baserade avbildningstekniker har varit den känslighet som krävs - vanligtvis har miljarder elektroniska snurr behövts för att generera en tillräcklig signal för framgångsrik avbildning.

Enter:kvantteknik. Ett team under ledning av professor Lloyd Hollenberg har använt en specialkonstruerad uppsättning kvantsonder i diamant för att demonstrera icke-invasiv ESR-avbildning med subcellulär upplösning. Anmärkningsvärt, systemet kan avbilda och förhöra mycket små regioner som bara innehåller några tusen elektronsnurr.

"Den avkännings- och bildteknik vi utvecklar gör att vi kan se livet på helt nya sätt, med större känslighet och upplösning härledd från de grundläggande interaktionerna mellan prov och sond på kvantmekanisk nivå, sa Hollenberg, som är biträdande direktör för Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) och Thomas Baker ordförande vid University of Melbourne.

"Denna dramatiska förbättring av ESR-bildteknik är en spännande utveckling och en tydlig demonstration av hur kvantteknologi kan användas för att förbättra signalkänsligheten och tillhandahålla lösningar på långvariga problem, till exempel att undersöka mänsklig biokemi i ännu finare skalor."

Att skala ned ESR-teknik till submikronupplösning har varit utmanande eftersom en sådan minskning av rumslig upplösning kräver avsevärt bättre känslighet. Dock, det är precis vad kvantsonder erbjuder - hög känslighet med hög rumslig upplösning.

Genom att generera en rad kvantsonder i diamant, använda materialets unika kväve-vakans färgcenter, det tvärvetenskapliga forskarteamet kunde avbilda och detektera elektroniska spinnarter vid ljusets diffraktionsgräns, 300 nanometer. Kritiskt, avkänningstekniken kan ge spektroskopisk information om den speciella källan till elektroniska snurr som avbildas.

Dr David Simpson, huvudförfattare och co-head of sensing and imaging vid Center for Neural Engineering sa att tekniken kan ge ny insikt om vilken roll övergångsmetalljoner spelar inom biologi.

"Övergångsmetalljoner är inblandade i flera neurodegenerativa sjukdomar, dock, lite är känt om deras koncentration och oxidationstillstånd i levande celler, " han sa.

"Vi strävar efter att anpassa denna nya form av avkänning för att börja undersöka sådana effekter i en rad biologiska system."

En av de unika fördelarna med kvantbaserad avkänning är att den inte stör provet som avbildas. Andra tillvägagångssätt förlitar sig på fluorescerande molekyler som binder till särskilda mål av intresse. Även om dessa tillvägagångssätt är artspecifika, de modifierar funktionaliteten och tillgängligheten för målarten som avbildas.

Doktorand och medförfattare på tidningen Robert Ryan förklarade tekniken.

"Vår teknik bygger på passiv, icke-invasiv detektering av elektroniska snurr genom att observera deras interaktion med kvantprobarrayen, sa Ryan.

"Genom att noggrant ställa in en extern magnet till resonans med kvantsonderna, vi kan lyssna på det magnetiska brus som skapas av provets elektroniska snurr. Olika elektroniska spinnarter har olika resonansförhållanden; Därför kan vi upptäcka och avbilda olika elektroniska spinnmål."

En nyckel till framgången med arbetet var samarbete mellan teammedlemmarna, som hämtades från olika forskningscentra över hela universitetet.

"Den tvärvetenskapliga aspekten av denna forskning hjälpte till att tänja på gränserna för vad som är möjligt, sade professor Paul Mulvaney, medförfattare och chef för Center for Exciton Science i School of Chemistry vid University of Melbourne.

"Ur ett kemiperspektiv, det är förvånande att se att ett bräckligt kvantsystem kan ta emot den fluktuerande miljön som man möter i "riktiga" kemiska system och de inneboende fluktuationerna i miljön hos joner som genomgår ligandomarrangemang. Den kompletterande kompetensen inom kemi, fysik och neurovetenskap har lett till detta framsteg."