Novos rotores de diamante em microescala podem melhorar os estudos de proteínas

Jul 30, 2023

Muitos dos materiais biológicos que os pesquisadores estão mais interessados ​​em estudar, incluindo aqueles associados a doenças importantes, não se prestam aos métodos convencionais que os pesquisadores normalmente usam para sondar a estrutura e a química de um material. a ressonância magnética, ou MAS-NMR, provou ser altamente bem-sucedida como forma de determinar as propriedades de moléculas complexas, como algumas proteínas. Mas a resolução alcançável com tais sistemas depende da frequência de giro de pequenos rotores, e esses sistemas esbarraram nos limites impostos pelos materiais do rotor. A maioria desses dispositivos usados ​​hoje depende de rotores feitos de zircônia estabilizada com ítria, que são tão finos quanto um alfinete. Esses rotores se desintegram se girados muito mais rápido do que alguns milhões de revoluções por minuto, limitando os materiais que podem ser estudados com esses sistemas. Mas agora, os pesquisadores do MIT desenvolveram um método para fazer esses rotores minúsculos e precisos de puro cristal de diamante, cuja força muito maior poderia permitir que ele girasse em frequências muito mais altas. O avanço abre as portas para o estudo de uma ampla variedade de moléculas importantes, incluindo aquelas encontradas nas placas amiloides associadas à doença de Alzheimer. , Daniel Banks e David Preiss; os professores Robert Griffin, Neil Gershenfeld e Keith Nelson; e outros sete no MIT. A técnica MAS-NMR, diz Gershenfeld, "é a ferramenta de escolha para [analisar] proteínas biológicas complexas em ambientes biologicamente significativos". Por exemplo, uma amostra pode ser analisada em um ambiente líquido em vez de ser seca, cristalizada ou revestida para exame. "Somente a RMN [de estado sólido] faz isso no ambiente químico ambiente", diz ele. O método básico existe há décadas, explica Griffin, e envolve a colocação de um pequeno cilindro preenchido com o material a ser estudado em um campo magnético onde ele podem ser suspensos e girados em altas frequências usando jatos de gás, geralmente nitrogênio, e depois eletrocutados com pulsos de radiofrequência para determinar as principais propriedades do material. O termo "ângulo mágico" refere-se ao fato de que se o cilindro contendo a amostra girar em um ângulo preciso (54,74 graus) em relação ao campo magnético aplicado, várias fontes de alargamento das linhas espectrais são atenuadas e um espectro de resolução muito maior é possível.Cortesia dos pesquisadoresMas a resolução desses espectros é diretamente limitada pela velocidade com que os minúsculos cilindros, ou rotores, podem girar antes de quebrar. Ao longo dos anos, as primeiras versões foram feitas de vários plásticos, depois foram usados ​​materiais cerâmicos e, finalmente, zircônio, "que é o material de escolha do qual a maioria dos rotores são feitos hoje em dia", diz Griffin. Esses sistemas MAS-NMR são amplamente usado na pesquisa bioquímica como uma ferramenta para estudar a estrutura molecular, até o nível de átomos individuais, de materiais, incluindo proteínas que são difíceis ou impossíveis de sondar usando outros métodos laboratoriais padrão. Estes incluem não apenas fibrilas amiloides, mas proteínas de membrana e alguns conjuntos virais. Mas alguns dos desafios mais prementes tanto na ciência biomédica quanto na ciência dos materiais estão além do alcance da resolução dos sistemas MAS-NMR atuais. "esses rotores se tornaram muito problemáticos. Eles falham cerca de 50% das vezes - e você perde uma amostra e destrói a bobina NMR." A equipe decidiu enfrentar o problema, que muitos diziam ser impossível na época, de fazer os rotores de diamante monocristal. por uma equipe interdisciplinar, envolvendo estudantes e pesquisadores do Centro de Bits e Átomos do MIT e do Departamento de Química, para resolver esse problema de fabricação. (A colaboração surgiu de Griffin e Gershenfeld servindo no Killian Award Committee do MIT). Eles desenvolveram uma espécie de sistema de torno baseado em laser que gira rapidamente um pedaço de diamante enquanto o atinge com o laser, essencialmente vaporizando suas camadas externas até que um cilindro perfeitamente liso permaneça, com apenas 0,7 milímetros de diâmetro (cerca de 1/36 de polegada). Em seguida, o mesmo laser é usado para perfurar um orifício perfeitamente centralizado no meio do cilindro, deixando uma espécie de formato de canudo. "Não é óbvio que funcionaria", diz Gershenfeld, "mas o laser transforma o diamante em grafite e remove o carbono, e você pode fazer isso de forma incremental para perfurar profundamente o diamante." a cerca de 600 graus Celsius (cerca de 1.100 graus Fahrenheit). O resultado é um rotor que já pode girar a 6 milhões de rotações por minuto, a velocidade dos melhores rotores de zircônia, e também possui outras características vantajosas, incluindo condutividade térmica extremamente alta e transparência de radiofrequência. Fredin ressalta que todas as peças necessárias para fazer esse sistema de usinagem de alta precisão "foram todas projetadas e fabricadas aqui" em um laboratório subterrâneo no Center for Bits and Atoms. "Ser capaz de projetar e fabricar fisicamente tudo e iterá-lo muitas vezes ao dia internamente foi um aspecto crucial deste projeto, em vez de ter que enviar coisas para oficinas mecânicas externas". possível com esses novos rotores, dizem os pesquisadores, mas exigirá o desenvolvimento de novos rolamentos e novos sistemas baseados em hélio, em vez de nitrogênio, para conduzir a rotação, a fim de alcançar as velocidades aumentadas e o salto correspondente na resolução. "Nunca valeu a pena desenvolver esses rolamentos compatíveis com hélio para esses pequenos rotores até que essa tecnologia fosse comprovada, quando os rotores usados ​​anteriormente não suportariam as velocidades de giro", que podem chegar a 20 milhões revoluções por minuto, diz Golota. Essas altas taxas de rotação são quase inéditas fora do campo de RMN. Preiss diz que, como engenheiro mecânico, "é raro encontrar algo girando acima de dezenas de milhares de rpm". Quando ouviu pela primeira vez o valor de 6 milhões de rpm para esses dispositivos, ele disse: "Achei que fosse uma piada". assimetria na estrutura, nessas frequências, você está condenado." foram capazes de recuperá-los intactos. Portanto, você também está salvando a amostra, que pode ser um recurso inestimável para o usuário." Eles já usaram o novo rotor de diamante para produzir os espectros de carbono-13 e nitrogênio-15 de um pequeno peptídeo, demonstrando claramente as capacidades do novo material de rotor de diamante, que Griffin diz ser o primeiro novo material para tais rotores a ser desenvolvido nas últimas três décadas. "Usamos espectros como esses extensivamente", diz ele, "para determinar a estrutura do beta-amilóide 1-42, que é uma espécie tóxica na doença de Alzheimer". Amostras desse material são difíceis de obter e geralmente só podem ser obtidas em pequenas quantidades, diz ele. “Agora temos um pequeno rotor que será muito confiável, onde você pode colocar dois ou três miligramas de material e obter dados espectrais como esses”, diz ele, apontando para os dados de amostra que obtiveram. "É realmente emocionante e vai abrir muitas novas áreas de pesquisa." Este trabalho "é verdadeiramente notável", diz David Doty, presidente da Doty Scientific, fabricante de sistemas NMR, que não esteve envolvido neste trabalho. "Teria sido muito difícil encontrar alguém fora deste grupo que pensasse ser possível usinar a laser rotores de diamante com a precisão necessária para fast-MAS, antes de realmente vê-lo funcionar", diz ele. Doty acrescenta: "O que eles demonstraram até agora ... é nada menos que incrível. Se o progresso adicional necessário puder ser feito, centenas de pesquisadores de RMN irão querer que eles os ajudem a obter melhores dados para os projetos em que estão trabalhando, desde melhorar nossa compreensão de algumas doenças e desenvolver melhores drogas para o desenvolvimento de materiais de bateria avançados.""Esta nova tecnologia tem o potencial de ser um divisor de águas na maneira como realizaremos experimentos de NMR de estado sólido no futuro, abrindo oportunidades experimentais sem precedentes em termos de resolução e sensibilidade," diz Anne Lesage, diretora adjunta do instituto de ciências analíticas da Ecole Normale Superieure em Lyon, França, que também não foi associada a este trabalho. A equipe de pesquisa também incluiu Salima Bahri, Daniel Banks, Prashant Patil, William Langford, Camron Blackburn , Erik Strand, Brian Michael e Blake Dastrup, todos no MIT. O trabalho foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde dos Estados Unidos, pelo fundo CBA Consortia, pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e pela Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos.