Determinar la configuración exacta de las proteínas y otras moléculas biológicas complejas es un paso importante para comprender sus funciones. incluida la forma en que se unen a los receptores del cuerpo. Pero este tipo de imágenes es difícil de realizar. Por lo general, requiere que las moléculas se cristalicen primero para que se puedan aplicar las técnicas de difracción de rayos X, y no todas estas moléculas se pueden cristalizar.

Ahora, un nuevo método desarrollado por investigadores del MIT podría conducir a una forma de producir imágenes de alta resolución de biomoléculas individuales sin requerir cristalización, e incluso podría permitir imágenes ampliadas de sitios específicos dentro de las moléculas. La técnica también podría aplicarse a la obtención de imágenes de otros tipos de materiales, incluidos materiales bidimensionales y nanopartículas.

Los hallazgos se informan esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , en un artículo de Paola Cappellaro, la Profesora Asociada Esther y Harold E. Edgerton de Ciencia e Ingeniería Nuclear en el MIT, y otros en el MIT y en la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur.

"Hay ventajas en poder ver a nivel de moléculas de proteína individuales, "Cappellaro dice, porque eso permite obtener imágenes de algunas moléculas que no se pueden obtener con el método convencional de rayos X. "Hay algunos tipos de moléculas, como las proteínas de membrana, que son bastante difíciles de cristalizar ".

El método utiliza un tipo de defecto en los cristales de diamante conocido como centro vacante de nitrógeno, un lugar donde uno de los átomos de carbono del cristal ha sido reemplazado por un átomo de nitrógeno. Tales defectos, que puede dar a los diamantes un tinte rosado, hacen que el cristal sea extremadamente sensible a los cambios en los campos magnéticos y eléctricos, haciendo del centro de vacantes de nitrógeno un detector eficiente de tales variaciones. Cuando una molécula está cerca del cristal, las vacantes de nitrógeno cerca de la superficie del cristal responderán a los espines nucleares dentro de esa molécula, y esta respuesta se puede detectar.

Pero estos sensores se han visto muy limitados por la frecuencia de muestreo de los pulsos de microondas utilizados para sondearlos. Ahora, el equipo de investigación ha descubierto que esta limitación se puede superar utilizando un método que llaman "interpolación cuántica, "que mejora el poder de resolución de dichos sistemas en más de cien veces, Dice Cappellaro.

Para revelar las minúsculas variaciones de los campos magnéticos asociados a algunos átomos de la molécula cuya configuración se analiza, es necesario observar los cambios que se producen en unos pocos picosegundos, o billonésimas de segundo. En principio, tan pequeños incrementos de tiempo se pueden resolver utilizando grandes, instrumentos especializados, pero son muy costosos y no están disponibles para la mayoría de los investigadores. Entonces Cappellaro y sus alumnos, no tener acceso a dichos sistemas, se propuso encontrar un costo más bajo, enfoque más simple para hacer tales observaciones.

El nuevo esquema es similar a la forma en que algunas cámaras de teléfonos móviles brindan una mejor resolución al tomar múltiples imágenes de la misma escena. con exposiciones ligeramente diferentes, y luego sumando las imágenes. También es similar a las técnicas sofisticadas utilizadas por los astrónomos e investigadores de la NASA para mejorar la resolución de las imágenes tomadas por los rovers planetarios o el Telescopio Espacial Hubble. "Intentamos imitar lo que hace el ojo humano automáticamente, "que consiste en moverse constantemente y acumular detalles a través de varias imágenes de la misma área, que el cerebro teje en una sola imagen, Dice Cappellaro.

En este caso, la técnica se aplica a variaciones en la fuerza de un campo magnético, en lugar de variaciones en la intensidad de la luz y el color, pero los principios subyacentes son similares. Y, mientras que la técnica clásica implica tomar una serie de imágenes y sumarlas, en este método los investigadores toman una sola imagen pero varían la separación de pulsos de microondas durante la adquisición de esa imagen.

Al aplicar pulsos de microondas que están separados por incrementos de tiempo en una escala de nanosegundos, más de 100 veces más que la resolución de tiempo deseada, el equipo pudo lograr la resolución más alta que se necesitaría para obtener información estructural detallada sobre el estado de giro. de átomos individuales en moléculas biológicas. Los datos podrían usarse para ayudar a desentrañar las formas complejas de algunas proteínas y otras moléculas biológicamente importantes, así como otros tipos de materiales.

Hasta aquí, Los experimentos de prueba de principio del equipo produjeron imágenes del espín nuclear asociado con el sensor mismo:el centro de vacantes de nitrógeno dentro de un cristal de diamante. El siguiente paso, que Cappellaro dice que debería estar al alcance ahora que el principio ha sido validado, será probar el método con biomoléculas reales.

"Se han demostrado todas las diversas piezas" para permitir la obtención de imágenes moleculares, ella dice. "Por lo tanto, combinar las diferentes técnicas debería ser sencillo, aunque difícil de alcanzar, objetivo ". El siguiente paso, ella dice, es ver "si podemos medir una sola proteína en su entorno natural, "que puede ayudar a revelar características importantes como los sitios de unión.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.