Escáneres de resonancia magnética nuclear, como son familiares de los hospitales, ahora son extremadamente sensibles. Un sensor cuántico desarrollado por un equipo dirigido por el profesor Jörg Wrachtrup en la Universidad de Stuttgart e investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, ahora hace posible utilizar la exploración por resonancia magnética nuclear para incluso investigar la estructura de las proteínas individuales átomo por átomo. En el futuro, el método podría ayudar a diagnosticar enfermedades en una etapa temprana al detectar las primeras proteínas defectuosas.

Muchas enfermedades tienen su origen en proteínas defectuosas. Como las proteínas son importantes motores bioquímicos, los defectos pueden provocar alteraciones del metabolismo. Priones defectuosos, que causan daño cerebral en la EEB y la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, son un ejemplo. Los priones patológicamente alterados tienen defectos en su compleja estructura molecular. El problema:las proteínas defectuosas individuales también pueden inducir defectos en proteínas intactas vecinas a través de una especie de efecto dominó y, por lo tanto, desencadenar una enfermedad. Por tanto, sería muy útil que los médicos pudieran detectar la primera, todavía priones individuales con la estructura incorrecta. Tiene, sin embargo, Hasta la fecha no ha sido posible dilucidar la estructura de una biomolécula individual.

En un artículo publicado en Ciencias , un equipo de investigadores de Stuttgart ha presentado ahora un método que se puede utilizar en el futuro para la investigación fiable de biomoléculas individuales. Esto es importante no solo para combatir enfermedades, sino también para la investigación básica química y bioquímica.

El método implica la miniaturización por así decirlo de la tomografía por resonancia magnética nuclear (RMN) conocida de la ingeniería médica, que generalmente se denomina exploración por resonancia magnética en el campo médico. La RMN hace uso de una propiedad especial de los átomos:su giro. En lenguaje sencillo, el espín se puede considerar como la rotación de núcleos atómicos y electrones alrededor de su propio eje, convirtiendo las partículas en diminutas, Imanes de barra giratoria. El comportamiento de estos imanes es característico de cada tipo de átomo y de cada elemento químico. Por tanto, cada partícula oscila con una frecuencia específica.

En aplicaciones médicas, Es normal que solo se detecte un tipo de átomo en el cuerpo:el hidrógeno, por ejemplo. El contenido de hidrógeno en los diferentes tejidos permite distinguir el interior del cuerpo con la ayuda de diversos contrastes.

Resolución estructural a nivel atómico

Al dilucidar la estructura de las biomoléculas, por otra parte, cada átomo individual debe ser determinado y la estructura de la biomolécula luego descifrada pieza por pieza. El aspecto crucial aquí es que los detectores de RMN son tan pequeños que alcanzan una resolución de escala nanométrica y son tan sensibles que pueden medir moléculas individuales con precisión. Hace más de cuatro años que los investigadores que trabajan con Jörg Wrachtrup diseñaron por primera vez un sensor de RMN tan pequeño; no lo hizo, sin embargo, les permiten distinguir entre átomos individuales.

Para lograr una resolución a nivel atómico, los investigadores deben poder distinguir entre las señales de frecuencia que reciben de los átomos individuales de una molécula, de la misma manera que una radio identifica una estación de radio por medio de su frecuencia característica. Las frecuencias de las señales emitidas por los átomos de una proteína son aquellas frecuencias a las que giran las barras magnéticas atómicas de la proteína. Estas frecuencias están muy juntas, como si todas las frecuencias de transmisión de las estaciones de radio intentaran exprimirse en un ancho de banda muy estrecho. Esta es la primera vez que los investigadores de Stuttgart logran una resolución de frecuencia en la que pueden distinguir tipos individuales de átomos.

“Hemos desarrollado el primer sensor cuántico que puede detectar las frecuencias de diferentes átomos con suficiente precisión y así resolver una molécula casi en sus átomos individuales, ", dice Jörg Wrachtrup. Por lo tanto, ahora es posible escanear una gran biomolécula, como si fuera. El sensor que actúa como una diminuta antena de RMN, es un diamante con un átomo de nitrógeno incrustado en su red de carbono cerca de la superficie del cristal. Los físicos llaman al sitio del átomo de nitrógeno el centro NV:N para nitrógeno y V para vacante, que se refiere a un electrón que falta en la red de diamante directamente adyacente al átomo de nitrógeno. Dicho centro NV detecta el espín nuclear de los átomos ubicados cerca de este centro NV.

Sencillo pero muy preciso

La frecuencia de giro del momento magnético de un átomo que se acaba de medir se transfiere al momento magnético en el centro NV, que se puede ver con un microscopio óptico especial como un cambio de color.

El sensor cuántico alcanza una sensibilidad tan alta, ya que puede almacenar señales de frecuencia de un átomo. Una sola medición de la frecuencia de un átomo sería demasiado débil para el sensor cuántico y posiblemente demasiado ruidosa. La memoria permite que el sensor almacene muchas señales de frecuencia durante un período de tiempo más largo, sin embargo, y así sintonizarse con mucha precisión a la frecuencia de oscilación de un átomo, de la misma manera que un receptor de onda corta de alta calidad puede resolver claramente los canales de radio que están muy próximos entre sí.

Esta tecnología tiene otras ventajas además de su alta resolución:opera a temperatura ambiente y, a diferencia de otros métodos de RMN de alta sensibilidad utilizados en la investigación bioquímica, no requiere vacío. Es más, estos otros métodos generalmente operan cerca del cero absoluto, menos 273.16 grados Celsius, lo que requiere un enfriamiento complejo con helio.

Futuro campo de aplicación:investigación del cerebro

Jörg Wrachtrup no ve uno, sino varios campos de aplicación futuros para sus sensores cuánticos de alta resolución. "Es concebible que, en el futuro, será posible detectar proteínas individuales que han sufrido un cambio notable en la etapa inicial de una enfermedad y que hasta ahora se han pasado por alto ". Wrachtrup está colaborando con una empresa industrial en un sensor cuántico un poco más grande que podría usarse en el futuro para detectar los campos magnéticos débiles del cerebro. "A este sensor lo llamamos lector cerebral. Esperamos que nos ayude a descifrar cómo funciona el cerebro, y sería un buen complemento para los dispositivos eléctricos convencionales derivados del EEG", el electroencefalograma. Para el lector de cerebros, Wrachtrup ya está trabajando con su socio industrial en un soporte y una carcasa para que el dispositivo sea fácil de usar y operar en el día a día. Para llegar a este punto sin embargo, llevará al menos otros diez años de investigación.