Schematisk diagram över en TOP-DNP-sekvens utförd vid 0,35 T. TOP-DNP-pulssekvensen består av ett tåg av m mikrovågspulser med en längd t sid separerade med en fördröjning d mellan pulserna, i statiska (icke -roterande) prover. Sekvensen upprepas h gånger med en upprepningstid t Rep att bygga upp bulk 1 H -polarisering. Sekvensen blir pulsad SE om d =0. Kredit: Vetenskapliga framsteg , Tan et al., Sci. Adv . 2019; 5:eaav6909
MIT -forskare har utvecklat ett sätt att dramatiskt öka känsligheten för kärnmagnetisk resonansspektroskopi (NMR), en teknik som används för att studera strukturen och sammansättningen av många typer av molekyler, inklusive proteiner kopplade till Alzheimers och andra sjukdomar.
Med denna nya metod, vetenskapsmän borde kunna analysera strukturer på bara några minuter som tidigare skulle ha tagit år att dechiffrera, säger Robert Griffin, Arthur Amos Noyes professor i kemi. Det nya tillvägagångssättet, som förlitar sig på korta pulser av mikrovågseffekt, kan låta forskare bestämma strukturer för många komplexa proteiner som har varit svåra att studera tills nu.
"Denna teknik bör öppna omfattande nya områden inom kemikalier, biologisk, material, och medicinsk vetenskap som för närvarande är otillgänglig, "säger Griffin, seniorförfattaren till studien.
MIT postdoc Kong Ooi Tan är huvudförfattare till tidningen, som visas i Vetenskapsframsteg den 18 januari. Tidigare MIT -postdoktorer Chen Yang och Guinevere Mathies, och Ralph Weber från Bruker BioSpin Corporation, är också författare till tidningen.
Förbättrad känslighet
Traditionell NMR använder atomkärnornas magnetiska egenskaper för att avslöja strukturerna i molekylerna som innehåller dessa kärnor. Genom att använda ett starkt magnetfält som interagerar med nukleära snurr av väte och andra isotopiskt märkta atomer som kol eller kväve, NMR mäter en egenskap som kallas kemisk förskjutning för dessa kärnor. Dessa skift är unika för varje atom och fungerar därmed som fingeravtryck, som kan utnyttjas ytterligare för att avslöja hur dessa atomer är anslutna.
Känsligheten för NMR beror på atomernas polarisering - en mätning av skillnaden mellan populationen av "upp" och "ned" kärnvridningar i varje spinnensemble. Ju större polarisering, den större känsligheten som kan uppnås. Vanligtvis, forskare försöker öka polariseringen av sina prover genom att applicera ett starkare magnetfält, upp till 35 tesla.
Ett annat tillvägagångssätt, som Griffin och Richard Temkin från MIT:s Plasma Science and Fusion Center har utvecklat under de senaste 25 åren, förbättrar polarisationen ytterligare med en teknik som kallas dynamisk kärnpolarisering (DNP). Denna teknik innebär att polarisering överförs från de oparade elektronerna i fria radikaler till väte, kol, kväve, eller fosforkärnor i provet som studeras. Detta ökar polarisationen och gör det lättare att upptäcka molekylens strukturella särdrag.
DNP utförs vanligtvis genom att kontinuerligt bestråla provet med högfrekventa mikrovågor, med hjälp av ett instrument som kallas en gyrotron. Detta förbättrar NMR-känsligheten med cirka 100 gånger. Dock, denna metod kräver mycket kraft och fungerar inte bra vid högre magnetfält som kan erbjuda ännu större upplösningsförbättringar.
För att övervinna det problemet, MIT -teamet kom på ett sätt att leverera korta pulser av mikrovågsstrålning, istället för kontinuerlig mikrovågsexponering. Genom att leverera dessa pulser med en specifik frekvens, de kunde förstärka polarisationen med en faktor upp till 200. Detta liknar förbättringen med traditionell DNP, men det kräver bara 7 procent av kraften, och till skillnad från traditionell DNP, den kan implementeras vid högre magnetfält.
"Vi kan överföra polarisationen på ett mycket effektivt sätt, genom effektiv användning av mikrovågsbestrålning, "Säger Tan." Med bestrålning med kontinuerlig våg, du bara spränger mikrovåg och du har ingen kontroll över faser eller pulslängd. "
Sparar tid
Med denna förbättring av känsligheten, prover som tidigare skulle ha tagit nästan 110 år att analysera kunde studeras på en enda dag, säger forskarna. I Vetenskapsframsteg papper, de demonstrerade tekniken genom att använda den för att analysera standardtestmolekyler som en glycerol-vattenblandning, men de planerar nu att använda det på mer komplexa molekyler.
Ett stort intresseområde är amyloid beta -protein som ackumuleras i hjärnan hos Alzheimers patienter. Forskarna planerar också att studera en mängd membranbundna proteiner, såsom jonkanaler och rhodopsiner, som är ljuskänsliga proteiner som finns i bakteriemembran samt i mänsklig näthinna. Eftersom känsligheten är så stor, denna metod kan ge användbar data från en mycket mindre urvalsstorlek, vilket skulle kunna göra det lättare att studera proteiner som är svåra att få i stora mängder.
Studien publiceras i Vetenskapliga framsteg .
