Att bestämma den exakta konfigurationen av proteiner och andra komplexa biologiska molekyler är ett viktigt steg mot att förstå deras funktioner, inklusive hur de binder till receptorer i kroppen. Men sådan avbildning är svår att göra. Det kräver vanligtvis att molekylerna först kristalliseras så att röntgendiffraktionstekniker kan tillämpas-och inte alla sådana molekyler kan kristalliseras.

Nu, en ny metod som utvecklats av forskare vid MIT kan leda till ett sätt att producera högupplösta bilder av enskilda biomolekyler utan att kräva kristallisering, och det kan till och med tillåta inzoomad avbildning av specifika platser i molekylerna. Tekniken kan också tillämpas på avbildning av andra typer av material, inklusive tvådimensionella material och nanopartiklar.

Resultaten rapporteras denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences , i ett papper av Paola Cappellaro, Esther och Harold E. Edgerton docent i kärnvetenskap och teknik vid MIT, och andra vid MIT och vid Singapore University of Technology and Design.

"Det finns fördelar med att kunna se på nivån av enstaka proteinmolekyler, "Cappellaro säger, eftersom det tillåter avbildning av vissa molekyler som inte kan avbildas med den konventionella röntgenmetoden. "Det finns vissa typer av molekyler, såsom membranproteiner, som är ganska svåra att kristallisera. "

Metoden använder en typ av defekt i diamantkristaller som kallas ett kvävevakanscenter - en plats där en av kolatomerna i kristallen har ersatts av en kväveatom. Sådana defekter, som kan ge diamanter en rosa nyans, gör kristallen extremt känslig för förändringar i magnetiska och elektriska fält, gör kvävevakanscentret till en effektiv detektor för sådana variationer. När en molekyl är nära kristallen, kvävevakanser nära kristallytan kommer att reagera på kärnkraftspinnet inom den molekylen, och detta svar kan detekteras.

Men dessa sensorer har begränsats kraftigt av samplingshastigheten för mikrovågspulserna som används för att mäta dem. Nu, forskargruppen har funnit att denna begränsning kan övervinnas med en metod som de kallar "kvantinterpolering, "vilket förbättrar lösningsförmågan hos sådana system mer än hundrafaldigt, Säger Cappellaro.

För att avslöja de små variationerna av de magnetiska fälten som är associerade med vissa atomer i molekylen vars konfiguration analyseras, det är nödvändigt att observera förändringar som sker inom några pikosekunder, eller biljondelar av en sekund. I princip, sådana små tidstider kan lösas med stora, specialiserade instrument, men dessa är mycket dyra och inte tillgängliga för de flesta forskare. Så Cappellaro och hennes studenter, inte har tillgång till sådana system, bestämde sig för att hitta en lägre kostnad, enklare sätt att göra sådana observationer.

Det nya schemat liknar hur vissa mobiltelefonkameror ger bättre upplösning genom att ta flera bilder av samma scen, med lite olika exponeringar, och sedan lägga till bilderna. Det liknar också sofistikerade tekniker som används av astronomer och NASA -forskare för att förbättra upplösningen av bilder som tagits av planetariska rovers eller Hubble -rymdteleskopet. "Vi försöker efterlikna vad det mänskliga ögat gör automatiskt, "som är att ständigt flytta och bygga upp detaljer genom flera bilder av samma område, som hjärnan stickar ihop till en enda bild, Säger Cappellaro.

I detta fall, tekniken tillämpas på variationer i styrkan hos ett magnetfält, snarare än variationer i ljusintensitet och färg, men de underliggande principerna är likartade. Och, Den klassiska tekniken innebär att man tar en serie bilder och lägger ihop dem, i denna metod tar forskarna en enda bild men varierar separationen av mikrovågspulser under förvärvet av den bilden.

Genom att applicera mikrovågspulser som är separerade med tidssteg i en skala av nanosekunder-mer än 100 gånger längre än den önskade tidsupplösningen-kunde teamet uppnå den högre upplösning som skulle behövas för att få detaljerad strukturinformation om spinntillståndet av enskilda atomer i biologiska molekyler. Uppgifterna kan användas för att avveckla de komplexa formerna hos vissa biologiskt viktiga proteiner och andra molekyler, liksom andra typer av material.

Än så länge, teamets principprövningsexperiment gav bilder av bara kärnvridningen som är associerad med själva sensorn-kvävevakanscentret i en diamantkristall. Nästa steg, som Cappellaro säger borde vara inom räckhåll nu när principen har validerats, blir att prova metoden på verkliga biomolekyler.

"Alla de olika delarna har visats" för att möjliggöra molekylär avbildning, hon säger. "Så att kombinera de olika teknikerna borde vara enkelt, fast svårt att nå, mål. "Nästa steg, hon säger, är att se "om vi kan mäta ett enda protein i dess naturliga miljö, "som kan hjälpa till att avslöja viktiga funktioner som bindningsställen.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.