Исследователи Массачусетского технологического института разработали способ значительно повысить чувствительность ядерной магнитно-резонансной спектроскопии (ЯМР), метод, используемый для изучения структуры и состава многих видов молекул, в том числе белков, связанных с болезнью Альцгеймера и другими заболеваниями.

По словам Роберта Гриффина, профессора химии Артура Амоса Нойеса, Роберт Гриффин, профессор химии Артура Амоса Нойеса, с помощью этого нового метода сможет за считанные минуты проанализировать структуры, которые раньше требовались для расшифровки. Новый подход, основанный на коротких импульсах микроволновой мощности, может позволить исследователям определить структуры многих сложных белков, которые до сих пор было трудно изучать.

«Этот метод должен открыть широкие новые области химической, биологической, материаловедческой и медицинской науки, которые в настоящее время недоступны», — говорит старший автор исследования Гриффин.

Постдок MIT Kong Ooi Tan является ведущим автором статьи, которая выходит в журнале « Advances Sciences» 18 января. Бывшие постдоки MIT «Чен Янг» и «Guinevere Mathies», а также Ральф Вебер из Bruker BioSpin Corporation также являются авторами статьи.

Повышенная чувствительность

Традиционный ЯМР использует магнитные свойства атомных ядер, чтобы выявить структуры молекул, содержащих эти ядра. Используя сильное магнитное поле, которое взаимодействует с ядерными спинами водорода и других меченных изотопами атомов, таких как углерод или азот, ЯМР измеряет черту, известную как химический сдвиг для этих ядер. Эти сдвиги уникальны для каждого атома и, таким образом, служат отпечатками пальцев, которые могут быть дополнительно использованы для выявления связей между этими атомами.

Чувствительность ЯМР зависит от поляризации атомов — измерения разности заселенностей ядерных спинов «вверх» и «вниз» в каждом спиновом ансамбле. Чем больше поляризация, тем большую чувствительность можно достичь. Как правило, исследователи пытаются увеличить поляризацию своих образцов, применяя более сильное магнитное поле, до 35 тесла.

Другой подход, разработанный Гриффином и Ричардом Темкиным из Центра плазменной науки и синтеза в Массачусетском технологическом институте в течение последних 25 лет, еще более усиливает поляризацию с использованием метода, называемого динамической ядерной поляризацией (ДНФ). Этот метод включает перенос поляризации из неспаренных электронов свободных радикалов в ядра водорода, углерода, азота или фосфора в исследуемом образце. Это увеличивает поляризацию и облегчает обнаружение структурных особенностей молекулы.

DNP обычно выполняется путем непрерывного облучения образца высокочастотными микроволнами с использованием инструмента, называемого гиротроном. Это повышает чувствительность ЯМР примерно в 100 раз. Тем не менее, этот метод требует большой мощности и плохо работает при более высоких магнитных полях, которые могут предложить еще большие улучшения разрешения.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда MIT разработала способ доставки коротких импульсов микроволнового излучения вместо непрерывного воздействия микроволнового излучения. Посылая эти импульсы с определенной частотой, они смогли увеличить поляризацию до 200 раз. Это похоже на улучшение, достигнутое с традиционным DNP, но требует только 7 процентов мощности, и в отличие от традиционного DNP, оно может быть реализовано при более высоких магнитных полях.

«Мы можем очень эффективно передавать поляризацию путем эффективного использования микроволнового излучения», — говорит Тан. «При непрерывном излучении вы просто излучаете сверхвысокочастотную мощность, и у вас нет контроля над фазами или длительностью импульса».

Экономия времени

Исследователи утверждают, что при таком улучшении чувствительности образцы, для анализа которых раньше требовалось почти 110 лет, можно было изучить за один день. В статье Science Advances они продемонстрировали эту технику , используя ее для анализа стандартных тестовых молекул, таких как смесь глицерин-вода, но теперь они планируют использовать ее на более сложных молекулах.

Одной из основных областей интереса является бета-белок амилоида, который накапливается в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера. Исследователи также планируют изучить различные связанные с мембраной белки, такие как ионные каналы и родопсины, которые являются светочувствительными белками, обнаруженными в бактериальных мембранах, а также в сетчатке человека. Поскольку чувствительность настолько велика, этот метод может дать полезные данные из гораздо меньшего размера выборки, что может облегчить изучение белков, которые трудно получить в больших количествах.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances .