La configuración propuesta de nano-MRI consiste en un qubit atómico colocado 2-4 nm debajo de una superficie que contiene una molécula. El qubit actúa como sensor y como fuente del campo magnético para codificar los espines nucleares de la molécula. Luego, los datos de densidad nuclear se utilizan para generar una imagen en 3D de la estructura molecular con una resolución de nivel angstrom. Crédito:Perunicic et al., Comunicaciones de la naturaleza
(Phys.org) —De manera similar a la forma en que una máquina de imágenes por resonancia magnética (IRM) convencional usa imanes grandes para generar imágenes en 3D, Los físicos han desarrollado una propuesta para una máquina de nano-resonancia magnética cuántica que utilizaría las propiedades magnéticas de un solo qubit atómico para generar imágenes en 3D con una resolución de nivel angstrom (0,1 nanómetros). La nueva técnica podría conducir al desarrollo de microscopios de una sola molécula para obtener imágenes de biomoléculas, con aplicaciones en el descubrimiento de fármacos y una mejor comprensión de las enfermedades.
Los investigadores, dirigido por Lloyd Hollenberg, profesor de física en la Universidad de Melbourne, han publicado un artículo sobre la nueva técnica en un número reciente de Comunicaciones de la naturaleza .
"Los continuos avances científicos durante las últimas décadas nos han permitido comprender y, por lo tanto, curar muchos problemas médicos a escala macroscópica, por ejemplo, fracturas de huesos o coágulos de sangre, ", dijo el autor principal, Viktor Perunicic, de la Universidad de Melbourne. Phys.org . "Sin embargo, las enfermedades que enfrenta la humanidad hoy en día son microscópicas, ya que se originan por disfunciones a nivel molecular, por ejemplo, una proteína de forma deformada en algún lugar de una célula. Cáncer, diabetes, infecciones virales y muchas otras tienen esto en común, sin embargo, en la actualidad casi no hay forma de ver lo que está sucediendo dentro de nuestros cuerpos a este nivel.
"En nuestro trabajo, Nuestro objetivo es abordar este problema mediante el desarrollo de un plan de tecnología que pueda permitir una visión visual 3D directa de la estructura atómica de moléculas individuales en su entorno celular. Lo logramos aprovechando la tecnología de computación cuántica en un concepto que lleva la resonancia magnética a la escala atómica ".
El sistema de formación de imágenes propuesto consiste en un qubit atómico que se coloca a unos 2 nanómetros por debajo de una superficie que contiene la molécula que se va a captar. El qubit actúa como fuente y sensor de campos magnéticos, con sus propiedades magnéticas cuánticas (su espín) interactuando con las propiedades magnéticas de los átomos en la molécula objetivo. Al recopilar datos sobre estas interacciones en varias orientaciones, el sistema podría determinar las posiciones de los átomos individuales y construir una imagen en 3D de la estructura de la molécula objetivo.
Los científicos simularon la nueva técnica utilizando una molécula de rapamicina (C 51 H 79 NO 13 ), un medicamento inmunosupresor que se usa comúnmente para prevenir el rechazo de órganos trasplantados. En las técnicas de imagen convencionales, como la cristalografía de rayos X, es difícil detectar los átomos de hidrógeno. Pero midiendo la densidad de espín nuclear del hidrógeno, el método nano-MRI puede generar imágenes en 3D de los átomos de hidrógeno, así como los átomos de carbono, con una resolución de imagen media a nivel angstrom.
La densidad nuclear de la molécula objetivo se transforma en una imagen de densidad nuclear en 3D de átomos de hidrógeno y carbono. Las posiciones atómicas se extraen directamente de los datos de la imagen de densidad. Crédito:Perunicic et al., Comunicaciones de la naturaleza
"La capacidad de obtener imágenes de la estructura atómica de las moléculas en sus entornos celulares nativos es vital tanto para comprender el origen de la enfermedad como para encontrar su cura". ", Dijo Hollenberg." Por ejemplo, en la búsqueda y prueba de nuevos medicamentos, primero se identificaría un objetivo, a menudo una proteína de membrana. Obtener imágenes de la verdadera estructura de la proteína en el entorno celular es clave para comprender cómo las moléculas del fármaco interactuarán con ella. Sobre la base de esta información, podría seleccionarse o diseñarse una molécula de fármaco. En tono rimbombante, el mismo dispositivo de imágenes proporcionaría medios para comprender y probar qué tan bien está funcionando el medicamento, observando sus interacciones con la molécula diana a nivel atómico. Nuestro objetivo es desarrollar una tecnología versátil para observar la estructura atómica bioquímica actualmente inaccesible de moléculas importantes in situ. de manera análoga a la forma en que las máquinas de resonancia magnética de los hospitales observan la anatomía de nuestros cuerpos ".
Debido a la gran cantidad de datos involucrados, Las simulaciones muestran que el tiempo total para generar una imagen de la molécula de rapamicina es actualmente de unas 175 horas. Sin embargo, los investigadores esperan que las mejoras futuras reduzcan en gran medida este tiempo, así como aumentar aún más la resolución. En el futuro, también planean ampliar el diseño del sistema para obtener imágenes de biomoléculas más grandes.
"Hasta ahora nuestro trabajo se ha centrado en la base teórica fundamental, comprender cómo construir físicamente el dispositivo con tecnología actualmente accesible, ", Dijo Perunicic." Estamos desarrollando el intrincado control mecánico cuántico que proporcionaría la capacidad de obtener imágenes de moléculas individuales, y también están realizando simulaciones para probar el rendimiento en condiciones realistas. Como los resultados de estas investigaciones fueron alentadores, la dirección natural para los próximos años es aventurarse en demostraciones experimentales de prueba de concepto ".
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