Новый способ обработки крошечных алмазных роторов может улучшить исследования белков

Sep 07, 2023

24 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

Дэвид Л. Чендлер, Массачусетский технологический институт

Многие из биологических материалов, в изучении которых исследователи больше всего заинтересованы, в том числе те, которые связаны с серьезными заболеваниями, не поддаются традиционным методам, которые исследователи обычно используют для исследования структуры и химического состава материала.

Один метод, называемый ядерным магнитным резонансом со вращением под магическим углом, или MAS-ЯМР, оказался весьма успешным как способ определения свойств сложных молекул, таких как некоторые белки. Но разрешение, достижимое с помощью таких систем, зависит от частоты вращения крошечных роторов, и эти системы столкнулись с ограничениями, налагаемыми материалами ротора.

Большинство таких устройств, используемых сегодня, основаны на роторах, изготовленных из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, которые тонкие, как булавка. Такие роторы разваливаются, если вращать их со скоростью гораздо быстрее, чем несколько миллионов оборотов в минуту, что ограничивает материалы, которые можно изучать с помощью таких систем. Но теперь исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод изготовления этих крошечных, точных роторов из чистого кристалла алмаза, гораздо большая прочность которого может позволить ему вращаться с гораздо более высокими частотами. Это достижение открывает двери для изучения широкого спектра важных молекул, в том числе обнаруженных в амилоидных бляшках, связанных с болезнью Альцгеймера.

Новый метод описан в «Журнале магнитного резонанса» в статье аспирантов Массачусетского технологического института Натали Голоты, Закари Фредина, Дэниела Бэнкса и Дэвида Прейсса; профессора Роберт Гриффин, Нил Гершенфельд и Кейт Нельсон; и еще семь человек из Массачусетского технологического института.

По словам Гершенфельда, метод MAS-NMR «является предпочтительным инструментом для [анализа] сложных биологических белков в биологически значимых средах». Например, образец можно анализировать в жидкой среде, а не высушивать, кристаллизовать или наносить на него покрытие для исследования. «Только [твердотельный] ЯМР делает это в окружающей химической среде», — говорит он.

Основной метод существует уже несколько десятилетий, объясняет Гриффин, и заключается в помещении крошечного цилиндра, наполненного исследуемым материалом, в магнитное поле, где его можно подвешивать и раскручивать до высоких частот с помощью струй газа, обычно азота, а затем подавать электрический разряд. с помощью радиочастотных импульсов для определения ключевых свойств материала. Термин «магический угол» относится к тому факту, что если цилиндр, содержащий образец, вращается под одним точным углом (54,74 градуса) относительно приложенного магнитного поля, различные источники уширения спектральных линий ослабляются и спектр гораздо более высокого разрешения возможно.

Но разрешение этих спектров напрямую ограничено тем, насколько быстро могут вращаться крошечные цилиндры или роторы, прежде чем они разобьются. На протяжении многих лет первые версии изготавливались из различных пластиков, затем использовались керамические материалы и, наконец, цирконий, «который является предпочтительным материалом, из которого в наши дни изготавливается большинство роторов», — говорит Гриффин.

Такие системы MAS-NMR широко используются в биохимических исследованиях в качестве инструмента для изучения молекулярной структуры вплоть до уровня отдельных атомов материалов, включая белки, которые трудно или невозможно исследовать другими стандартными лабораторными методами. К ним относятся не только амилоидные фибриллы, но и мембранные белки и некоторые вирусные сборки. Но некоторые из наиболее насущных проблем как в биомедицине, так и в материаловедении, лежат за пределами разрешения современных систем MAS-NMR.

«Поскольку мы достигли частоты вращения выше 100 килогерц», что эквивалентно 6 миллионам оборотов в минуту, — говорит Гриффин, — «эти роторы стали очень проблематичными. Они выходят из строя примерно в 50% случаев — и вы теряете образец, и это разрушает Катушка ЯМР». Команда решила решить проблему, которую многие в то время считали невозможной, — сделать роторы из монокристаллического алмаза.