Diagrama esquemático de una secuencia TOP-DNP realizada a 0.35 T.La secuencia de pulsos TOP-DNP está compuesta por un tren de m pulsos de microondas de una longitud t pag separados por un retraso d entre los pulsos, en muestras estáticas (que no giran). La secuencia se repite h veces con un tiempo de repetición t Reps para acumular volumen 1 Polarización H. La secuencia se convierte en SE pulsada si d =0. Crédito: Avances de la ciencia , Tan et al., Sci. Adv . 2019; 5:eaav6909
Los investigadores del MIT han desarrollado una forma de mejorar drásticamente la sensibilidad de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), una técnica utilizada para estudiar la estructura y composición de muchos tipos de moléculas, incluidas las proteínas relacionadas con el Alzheimer y otras enfermedades.
Usando este nuevo método, los científicos deberían poder analizar en cuestión de minutos estructuras que antes hubieran tardado años en descifrar, dice Robert Griffin, el profesor de química Arthur Amos Noyes. El nuevo enfoque que se basa en pulsos cortos de potencia de microondas, podría permitir a los investigadores determinar las estructuras de muchas proteínas complejas que han sido difíciles de estudiar hasta ahora.
"Esta técnica debería abrir nuevas y extensas áreas de química, biológico, materiales y la ciencia médica que son actualmente inaccesibles, "dice Griffin, el autor principal del estudio.
Kong Ooi Tan, postdoctoral del MIT, es el autor principal del artículo, que aparece en Avances en Ciencias el 18 de enero, los ex postdoctorados del MIT Chen Yang y Guinevere Mathies, y Ralph Weber de Bruker BioSpin Corporation, también son autores del artículo.
Sensibilidad mejorada
La RMN tradicional utiliza las propiedades magnéticas de los núcleos atómicos para revelar las estructuras de las moléculas que contienen esos núcleos. Mediante el uso de un fuerte campo magnético que interactúa con los espines nucleares del hidrógeno y otros átomos marcados isotópicamente como el carbono o el nitrógeno, La RMN mide un rasgo conocido como desplazamiento químico de estos núcleos. Esos cambios son únicos para cada átomo y, por lo tanto, sirven como huellas dactilares, que puede explotarse aún más para revelar cómo están conectados esos átomos.
La sensibilidad de la RMN depende de la polarización de los átomos, una medida de la diferencia entre la población de espines nucleares "arriba" y "abajo" en cada conjunto de espines. Cuanto mayor es la polarización, la mayor sensibilidad que se puede lograr. Típicamente, Los investigadores intentan aumentar la polarización de sus muestras aplicando un campo magnético más fuerte, hasta 35 tesla.
Otro enfoque, que Griffin y Richard Temkin del Plasma Science and Fusion Center del MIT han estado desarrollando durante los últimos 25 años, mejora aún más la polarización utilizando una técnica llamada polarización nuclear dinámica (DNP). Esta técnica implica transferir la polarización de los electrones desapareados de los radicales libres al hidrógeno, carbón, nitrógeno, o núcleos de fósforo en la muestra en estudio. Esto aumenta la polarización y facilita el descubrimiento de las características estructurales de la molécula.
El DNP generalmente se realiza irradiando continuamente la muestra con microondas de alta frecuencia, utilizando un instrumento llamado gyrotron. Esto mejora la sensibilidad de la RMN en aproximadamente 100 veces. Sin embargo, este método requiere una gran cantidad de energía y no funciona bien en campos magnéticos más altos que podrían ofrecer mejoras de resolución aún mayores.
Para superar ese problema, el equipo del MIT ideó una forma de enviar pulsos cortos de radiación de microondas, en lugar de la exposición continua al microondas. Al entregar estos pulsos a una frecuencia específica, pudieron mejorar la polarización en un factor de hasta 200. Esto es similar a la mejora lograda con el DNP tradicional, pero requiere solo el 7 por ciento de la energía, y a diferencia del DNP tradicional, se puede implementar en campos magnéticos más altos.
"Podemos transferir la polarización de una manera muy eficiente, mediante el uso eficiente de la irradiación de microondas, "Tan dice". Con irradiación de onda continua, simplemente explota la potencia del microondas, y no tienes control sobre las fases o la duración del pulso ".
Ahorrando tiempo
Con esta mejora en la sensibilidad, las muestras que anteriormente hubieran tardado casi 110 años en analizarse podrían estudiarse en un solo día, dicen los investigadores. En el Avances en Ciencias papel, demostraron la técnica usándola para analizar moléculas de prueba estándar, como una mezcla de glicerol y agua, pero ahora planean usarlo en moléculas más complejas.
Un área importante de interés es la proteína beta amiloide que se acumula en el cerebro de los pacientes con Alzheimer. Los investigadores también planean estudiar una variedad de proteínas unidas a la membrana, como canales iónicos y rodopsinas, que son proteínas sensibles a la luz que se encuentran en las membranas bacterianas y en la retina humana. Porque la sensibilidad es tan grande, este método puede producir datos útiles a partir de un tamaño de muestra mucho más pequeño, lo que podría facilitar el estudio de proteínas difíciles de obtener en grandes cantidades.
El estudio se publica en Avances de la ciencia .
