Новые микромасштабные алмазные роторы могут улучшить исследования белков

Jul 30, 2023

Многие из биологических материалов, изучением которых исследователи больше всего интересуются, 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 вращением под магическим углом, магнитный резонанс, или MAS-ЯМР, оказался весьма успешным способом 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. 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 тех, которые обнаружены в амилоидных бляшках, связанных с болезнью Альцгеймера. Новый метод описан в Журнале магнитного резонанса в статье аспирантов Массачусетского технологического института Натали Голоты и Закари Фредина. , Дэниел Бэнкс и Дэвид Прейсс; профессора Роберт Гриффин, Нил Гершенфельд и Кейт Нельсон; и еще семь человек из Массачусетского технологического института. Метод MAS-ЯМР, по словам Гершенфельда, «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 он его можно подвешивать и раскручивать до высоких частот с помощью струй газа, обычно азота, а затем воздействовать радиочастотными импульсами 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 Это возможно. С разрешения исследователей. 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 стали использоваться керамические материалы и, наконец, цирконий, «который является предпочтительным материалом, из которого в наши дни изготавливается большинство роторов», — говорит Гриффин. Такие системы MAS-ЯМР широко распространены. используется в биохимических исследованиях как инструмент 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 сегодняшних систем MAS-NMR. «Эти роторы стали очень проблематичными. Они выходят из строя примерно в 50 процентах случаев — и вы теряете образец, и это разрушает катушку ЯМР». Команда решила решить проблему изготовления роторов из монокристаллического алмаза, которую многие в то время считали невозможной. Даже компания, производящая лазерную систему, которую они использовали, считала, что это невозможно, и на это ушли годы работы. междисциплинарной командой, включающей студентов и исследователей из Центра битов и атомов Массачусетского технологического института и химического факультета, для решения этой производственной проблемы. (Сотрудничество возникло благодаря работе Гриффина и Гершенфельда в Комитете по присуждению премии Киллиана Массачусетского технологического института). Они разработали своего рода систему токарного станка на основе лазера, которая быстро вращает кусок алмаза, одновременно обрабатывая его лазером, по существу испаряя его внешние слои до тех пор, пока не останется идеально гладкий цилиндр диаметром всего 0,7 миллиметра (около 1/36 дюйма). Затем тот же лазер используется для просверливания идеально центрированного отверстия в середине цилиндра, оставляя что-то вроде соломинки для питья. «Не очевидно, что это сработает, — говорит Гершенфельд, — но лазер превращает алмаз в графит». и удаляет углерод, и вы можете делать это постепенно, чтобы просверлить алмаз глубже». В процессе обработки алмаз выходит с черным покрытием из чистого графита, но исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что это можно устранить, нагревая ротор на ночь. при температуре около 600 градусов Цельсия (около 1100 градусов по Фаренгейту). В результате получается ротор, который уже может вращаться со скоростью 6 миллионов оборотов в минуту, что соответствует скорости лучших циркониевых роторов, а также имеет другие выгодные характеристики, включая чрезвычайно высокую теплопроводность и радиочастотная прозрачность. Фредин отмечает, что все детали, необходимые для создания этой высокоточной системы обработки, «все были спроектированы и изготовлены прямо здесь», в подвальной лаборатории Центра битов и атомов. «Возможность физически спроектировать, изготовить все и повторить это много раз в день собственными силами была решающим аспектом этого проекта, в отличие от необходимости отправлять вещи в сторонние механические мастерские». Теперь необходимо добиться гораздо более высоких частот вращения. Это возможно с этими новыми роторами, говорят исследователи, но для достижения увеличенных скоростей и соответствующего скачка разрешения потребуется разработка новых подшипников и новых систем на основе гелия, а не азота для привода вращения. «Никогда не стоило разрабатывать эти совместимые с гелием подшипники для этих маленьких роторов до тех пор, пока эта технология не была опробована, поскольку ранее использовавшиеся роторы не могли выдерживать скорости вращения», которые в конечном итоге могут достигать 20 миллионов оборотов в минуту, говорит Голота. Такие высокие скорости вращения почти неслыханны за пределами области ЯМР. Прейсс говорит, что, будучи инженером-механиком, «редко можно встретить что-то, вращающееся со скоростью более десятков тысяч оборотов в минуту». Когда он впервые услышал цифру 6 миллионов об/мин для этих устройств, он сказал: «Я подумал, что это шутка». Из-за таких высоких скоростей, говорит Гершенфельд, нестабильность может легко возникнуть из-за любого несовершенства: «Если есть хотя бы небольшое асимметрия в структуре, на этих частотах вы обречены». Голота говорит, что в своих экспериментах с современными циркониевыми роторами «когда роторы выходят из строя, они взрываются, и вы, по сути, просто собираете пыль. Но когда алмазные роторы выходят из строя, мы смогли восстановить их в целости. Таким образом, вы также сохраняете образец, который может стать бесценным ресурсом для пользователя. "Они уже использовали новый алмазный ротор для получения спектров углерода-13 и азота-15 небольшой пептид, наглядно демонстрирующий возможности нового материала для алмазных роторов, который, по словам Гриффина, является первым новым материалом для таких роторов, разработанным за последние три десятилетия. «Мы широко использовали подобные спектры, — говорит он, — чтобы определить структуру бета-амилоида 1-42, который является токсичным видом при болезни Альцгеймера». По его словам, образцы такого материала трудно достать, и обычно их можно получить только в небольших количествах. «Теперь у нас есть небольшой ротор, который, будем надеяться, будет очень надежным, в него можно поместить два или три миллиграмма материала и получить подобные спектральные данные», — говорит он, указывая на полученные образцы данных. «Это действительно интересно и откроет множество новых областей исследований». Эта работа «действительно замечательна», — говорит Дэвид Доти, президент Doty Scientific, производителя систем ЯМР, который не участвовал в этой работе. «Было бы очень трудно найти кого-либо за пределами этой группы, кто бы подумал, что возможно обрабатывать алмазные роторы лазером с точностью, необходимой для быстрого MAS, до того, как он действительно увидит, как это работает», — говорит он. Доти добавляет: «Что они продемонстрировали до сих пор... является просто удивительным. Если будет достигнут дополнительный необходимый прогресс, сотни исследователей ЯМР захотят, чтобы они помогли им получить более качественные данные для проектов, над которыми они работают, от улучшения нашего понимания некоторых заболеваний и разработки «Эта новая технология может изменить правила игры в том, как мы будем проводить твердотельные ЯМР-эксперименты в будущем, открывая беспрецедентные экспериментальные возможности с точки зрения разрешения и чувствительности», — говорит Анн Лесаж, заместитель директора института аналитических наук Ecole Normale Superieure в Лионе, Франция, которая также не принимала участия в этой работе. В исследовательскую группу также входили Салима Бахри, Дэниел Бэнкс, Прашант Патил, Уильям Лэнгфорд, Кэмрон Блэкберн. , Эрик Стрэнд, Брайан Майкл и Блейк Даструп — все из Массачусетского технологического института. Работу поддержали Национальные институты здравоохранения США, фонд CBA Consortia, Министерство энергетики США и Национальный научный фонд США.