MR for vira

Magnetisk resonansbilleddannelse, eller MR, er en grundpille i medicin og neurovidenskabelig forskning. Det kan non-invasivt sondere dybt inde i væv og giver information om tilstedeværelsen af ​​specifikke kemikalier. Men fordi de magnetiske kræfter, som den registrerer, er så små, er MRI ikke særlig følsom: den afslører typisk strukturer på millimeter til submillimeter skala.

Nano nål: På spidsen af ​​denne silicium-cantilever i nanostørrelse er en lille prøve af tobaksmosaikvirus. Når brintkerner i prøven interagerer med en nærliggende magnet, vibrerer cantilever let. Ved at overvåge disse vibrationer via laser kan forskere konstruere et 3-D-billede af vira. Denne teknik, kaldet magnetisk resonanskraftmikroskopi, er en massivt nedskaleret version af MRI.

Nu forskere ved IBM Almaden Research Center , i Californien, har udviklet en MR-scanner med opløsning 100 millioner gange bedre end det - god nok til at afbilde individuelle virale partikler. Med yderligere forbedringer kunne teknikken en dag bruges til at generere 3-D billeder af individuelle molekyler.

Drømmen om at afbilde et enkelt molekyle er noget, der holder kemikere oppe om natten, siger John Marohn , lektor i kemi og kemisk biologi ved Cornell University. Hvis du havde dette værktøj, er der ingen ende på ting, du kunne gøre med det, og der er ingen ende på det gode, der ville komme ud af det.

MR gør brug af det faktum, at kernerne i nogle grundstoffer, såsom brint, fungerer som små magneter. Når et eksternt magnetfelt påføres, roterer disse kerner rundt i feltets retning ved karakteristiske frekvenser, hvilket genererer små magnetiske udsving. I en typisk MR-scanner registrerer en elektrisk spole disse udsving og bruger dem til at kortlægge den rumlige fordeling af brintkerner, hvilket genererer et billede af det scannede væv.

Fordi MRI er så god til at skabe 3-D-billeder af interne strukturer, vil forskerne gerne bruge det til billeddannelse af meget mindre biologiske prøver, såsom individuelle proteiner. Men detektionsspolen skalerer ikke særlig godt ned - jo mindre spolen er, jo lavere følsomhed - efterlader mindre prøver og finere opløsning uden for konventionel MR.

Den nye scanner udviklet af IBM udnytter en ny teknologi kaldet magnetisk resonanskraftmikroskopi (MRFM). MRFM omgår begrænsningerne ved MR ved at bruge en fysisk, snarere end elektrisk, detektor til at opfange de minimale magnetiske kræfter, der genereres af roterende kerner.

Det er en meget mere følsom måde at detektere magnetismen fra kernerne på, siger Dan Rugar, leder af nanoskalastudier ved IBM Almaden Research Center og leder af teamet, der udviklede den nye enhed.

Rugar og hans kolleger placerer prøven, der skal afbildes, på spidsen af ​​en lille, udsøgt følsom silicium-cantilever. Nær spidsen er en meget lille magnet. Ved hjælp af en mikroskopisk ledning genererer forskerne et oscillerende magnetfelt, der får brintkernerne i prøven til at vende frem og tilbage mellem at tiltrække og frastøde magneten. De resulterende fysiske vibrationer i cantileveren detekteres af en laser og bruges til at konstruere et billede.

Miniature MR: Et skematisk billede af scanningsenheden udviklet af IBM. Prøven placeres for enden af ​​en ultrafølsom siliciumudkrager og placeres nær en lille magnetisk spids. En mikrotråd producerer et oscillerende magnetfelt, der får brintkerner i en tynd sektion af prøven - resonansskiven - til at vende frem og tilbage mellem at tiltrække og frastøde den magnetiske spids. Som et resultat vibrerer cantilever let. Disse vibrationer måles ved hjælp af et laserinferometer og oversættes til et 3-D billede af prøven.

Det oscillerende felt er præcist indstillet, så kun kernerne i en meget lille splint af prøven, kaldet resonansskiven, reagerer. Ved at scanne magneten i et tredimensionelt mønster kan forskerne flytte resonansskiven gennem prøven. Det er denne præcision, der gør det muligt for enheden at skabe et billede i så høj opløsning.

Andre former for billeddannelse i høj opløsning, såsom scanning tunnelmikroskopi og atomkraftmikroskopi, kan kun se overfladen af ​​et stof. På grund af resonansskiven kan MRFM trænge dybt ind i prøven og bygge et 3D-billede af dens indre struktur.

MRFM opstod først i begyndelsen af ​​1990'erne, og IBM har været en konsekvent leder på området. I et skelsættende eksperiment i 2004 brugte Rugar og hans kolleger teknologien til at detektere spin af en enkelt elektron. For nylig genererede de billeder af en ikke-biologisk prøve med opløsning så god som 90 nanometer - langt bedre end konventionel MRI, men ikke nær følsom nok til at modellere individuelle biologiske strukturer.

Nu, efter år med omhyggelige trinvise fremskridt, har Rugars team opnået nanometeropløsningsbilleddannelse af en biologisk prøve. Holdet valgte at bruge den hårdføre, velforståede tobaksmosaikvirus som et proof of concept og så detaljer så små som fire nanometer. .

Det er faktisk første gang, denne teknik er blevet brugt på en biologisk prøve, siger Rugar. Vi ville gerne vise, at den virkelig kunne biologi, for det er trods alt vores overordnede mål.

Dette vellykkede eksperiment åbner døren til en bred vifte af biologiske anvendelser, siger Rugar. Især vil han gerne være i stand til at afbilde individuelle proteiner for at bestemme deres indre tredimensionelle struktur.

Du har tusindvis af proteiner i din krop, som ikke har nogen kendt struktur, fordi der ikke er nogen teknik til at bestemme deres struktur, siger Rugar. Lige nu er guldstandarden for løsning af proteinstruktur røntgenkrystallografi, som er begrænset til proteiner, der kan krystalliseres.

Nano-MRI-scanneren ville ikke være underlagt denne begrænsning. I teorien ville det med yderligere forbedringer i opløsning være muligt at undersøge proteiner i deres native tilstand ved hurtigt at fryse dem. MRFM skal udføres ved en meget lav temperatur – knap over det absolutte nulpunkt – for at minimere støjen, der skabes af termiske vibrationer.

Den virkelige betydning af dette er, at det viser, at grænserne for MRFM ikke er nået, og de er stadig på vej til at lave et atombillede, siger Jonathan Jacky , en forsker ved University of Washington. Et billedapparat i atomskala ville være et af de mest betydningsfulde videnskabelige instrumenter nogensinde. Det ville være på samme niveau som teleskopet eller lysmikroskopet. Det er det, der virkelig er spændende ved det her.

skjule