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Jul 13, 2023

Un pequeño rotor de diamante podría mejorar los estudios de proteínas

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Muchos de los materiales biológicos que los investigadores están más interesados ​​en estudiar, incluidos aquellos asociados con enfermedades importantes, no se prestan a los métodos convencionales que los investigadores suelen utilizar para investigar la estructura y la química de un material.

Una técnica, llamada resonancia magnética nuclear de giro de ángulo mágico, o MAS-NMR, ha demostrado ser muy exitosa como forma de determinar las propiedades de moléculas complejas como algunas proteínas. Pero la resolución que se puede lograr con tales sistemas depende de la frecuencia de giro de rotores diminutos, y estos sistemas se han topado con los límites impuestos por los materiales del rotor.

La mayoría de estos dispositivos utilizados hoy en día se basan en rotores hechos de circonio estabilizado con itria, que son tan delgados como un alfiler. Estos rotores se desmoronan si se hacen girar mucho más rápido que unos pocos millones de revoluciones por minuto, lo que limita los materiales que se pueden estudiar con dichos sistemas. Pero ahora, investigadores del MIT han desarrollado un método para fabricar estos pequeños y precisos rotores a partir de cristal de diamante puro, cuya fuerza mucho mayor podría permitirles girar a frecuencias mucho más altas. El avance abre la puerta al estudio de una amplia variedad de moléculas importantes, incluidas las que se encuentran en las placas amiloides asociadas con la enfermedad de Alzheimer.

El nuevo método se describe en el Journal of Magnetic Resonance, en un artículo de los estudiantes graduados del MIT Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks y David Preiss; los profesores Robert Griffin, Neil Gershenfeld y Keith Nelson; y otros siete en el MIT.

La técnica MAS-NMR, dice Gershenfeld, "es la herramienta elegida para [analizar] proteínas biológicas complejas en entornos biológicamente significativos". Por ejemplo, una muestra podría analizarse en un entorno líquido en lugar de secarse, cristalizarse o recubrirse para su examen. "Sólo la RMN [de estado sólido] lo hace en el entorno químico ambiental", afirma.

El método básico existe desde hace décadas, explica Griffin, e implica colocar un pequeño cilindro lleno con el material que se va a estudiar en un campo magnético donde se puede suspender y hacer girar a altas frecuencias usando chorros de gas, generalmente nitrógeno, y luego eliminarlo. con pulsos de radiofrecuencia para determinar las propiedades clave del material. El término "ángulo mágico" se refiere al hecho de que si el cilindro que contiene la muestra gira en un ángulo preciso (54,74 grados) con respecto al campo magnético aplicado, se atenúan varias fuentes de ensanchamiento de las líneas espectrales y se obtiene un espectro de resolución mucho mayor. es posible.

Pero la resolución de estos espectros está directamente limitada por la velocidad a la que pueden girar los diminutos cilindros, o rotores, antes de romperse. A lo largo de los años, las primeras versiones se fabricaron con diversos plásticos, luego se utilizaron materiales cerámicos y finalmente circonio, “que es el material elegido para fabricar la mayoría de los rotores hoy en día”, dice Griffin.

Estos sistemas MAS-NMR se utilizan ampliamente en la investigación bioquímica como herramienta para estudiar la estructura molecular, hasta el nivel de átomos individuales, de materiales, incluidas proteínas, que son difíciles o imposibles de sondear utilizando otros métodos de laboratorio estándar. Estos incluyen no sólo fibrillas de amiloide, sino también proteínas de membrana y algunos conjuntos virales. Pero algunos de los desafíos más apremiantes tanto en la ciencia biomédica como en la de materiales están fuera del alcance de la resolución de los sistemas MAS-NMR actuales.

“A medida que avanzamos hacia frecuencias de giro superiores a 100 kilohercios”, equivalente a 6 millones de revoluciones por minuto, dice Griffin, “estos rotores se han vuelto muy problemáticos. Fallan alrededor del 50 por ciento de las veces, se pierde una muestra y se destruye la bobina de RMN”. El equipo decidió abordar el problema, que muchos dijeron en ese momento que era imposible, de fabricar los rotores con diamante monocristalino.

Incluso la empresa que fabricaba el sistema láser que utilizaron pensó que no se podía hacer, y se necesitaron años de trabajo de un equipo interdisciplinario, en el que participaron estudiantes e investigadores tanto del Centro de Bits y Átomos del MIT como del Departamento de Química, para resolver esa fabricación. problema. (La colaboración surgió cuando Griffin y Gershenfeld formaron parte del Comité del Premio Killian del MIT). Desarrollaron una especie de sistema de torno basado en láser que hace girar rápidamente un trozo de diamante mientras lo golpea con el láser, esencialmente vaporizando sus capas externas hasta que queda un cilindro perfectamente liso, de sólo 0,7 milímetros de ancho (aproximadamente 1/36 de pulgada). Luego, se utiliza el mismo láser para perforar un agujero perfectamente centrado en el centro del cilindro, dejando una especie de pajita.

"No es obvio que funcione", dice Gershenfeld, "pero el láser convierte el diamante en grafito y elimina el carbón, y esto se puede hacer de manera gradual para perforar profundamente el diamante".

El diamante emerge del proceso de mecanizado con una capa negra de grafito puro, pero los investigadores del MIT descubrieron que esto podría eliminarse calentando el rotor durante la noche a unos 600 grados Celsius (aproximadamente 1100 grados Fahrenheit). El resultado es un rotor que ya puede gira a 6 millones de revoluciones por minuto, la velocidad de los mejores rotores de circonio, y también tiene otras características ventajosas, incluida una conductividad térmica extremadamente alta y transparencia de radiofrecuencia.

Fredin señala que todas las piezas necesarias para fabricar este sistema de mecanizado de alta precisión "fueron diseñadas y fabricadas aquí mismo" en un laboratorio del sótano del Centro de Bits y Átomos. "Poder diseñar y fabricar todo físicamente y repetirlo muchas veces al día internamente fue un aspecto crucial de este proyecto, en lugar de tener que enviar todo a talleres mecánicos externos".

Según los investigadores, ahora debería ser posible lograr frecuencias de giro mucho más altas con estos nuevos rotores, pero será necesario desarrollar nuevos rodamientos y nuevos sistemas basados ​​en helio en lugar de nitrógeno para impulsar la rotación, a fin de lograr mayores velocidades y la correspondiente salto de resolución. “Nunca valió la pena desarrollar estos rodamientos compatibles con helio para estos pequeños rotores hasta que se demostró esta tecnología, cuando los rotores utilizados anteriormente no serían capaces de soportar las velocidades de giro”, que podrían llegar a costar hasta 20 millones. revoluciones por minuto, dice Golota.

Velocidades de rotación tan altas son casi inauditas fuera del campo de la RMN. Preiss dice que, como ingeniero mecánico, "es raro encontrar algo que gire a más de decenas de miles de rpm". Cuando escuchó por primera vez la cifra de 6 millones de rpm para estos dispositivos, dice: "Pensé que era una broma".

Debido a estas altas velocidades, dice Gershenfeld, las inestabilidades pueden surgir fácilmente debido a cualquier imperfección: "Si hay incluso una ligera asimetría en la estructura, en estas frecuencias, estás condenado".

Golota dice que en sus experimentos utilizando rotores de circonio actuales, “cuando los rotores fallan, explotan y básicamente solo se recupera polvo. Pero cuando los rotores de diamante fallaron, pudimos recuperarlos intactos. Por lo tanto, también guarda la muestra, lo que puede ser un recurso invaluable para el usuario”.

Ya han utilizado el nuevo rotor de diamante para producir los espectros de carbono 13 y nitrógeno 15 de un pequeño péptido, lo que demuestra claramente las capacidades del nuevo material del rotor de diamante, que según Griffin es el primer material nuevo para tales rotores que se desarrolla en las últimas tres décadas. "Hemos utilizado espectros como estos ampliamente", dice, "para determinar la estructura del beta-amiloide 1-42, que es una especie tóxica en la enfermedad de Alzheimer". Es difícil conseguir muestras de ese material y, por lo general, sólo se pueden obtener en pequeñas cantidades, afirma. "Ahora tenemos un pequeño rotor que, con suerte, será muy confiable, en el que se pueden colocar dos o tres miligramos de material y obtener datos espectrales como estos", dice, señalando los datos de muestra que obtuvieron. "Es realmente emocionante y abrirá muchas áreas nuevas de investigación".

Este trabajo "es verdaderamente extraordinario", afirma David Doty, presidente de Doty Scientific, un fabricante de sistemas de RMN, que no participó en este trabajo. "Habría sido muy difícil encontrar a alguien fuera de este grupo que hubiera pensado que era posible mecanizar con láser rotores de diamante con la precisión necesaria para el MAS rápido, antes de verlo funcionar", afirma.

Doty añade: “Lo que han demostrado hasta ahora... es nada menos que sorprendente. Si se pueden lograr los avances adicionales necesarios, cientos de investigadores de RMN querrán que estos les ayuden a obtener mejores datos para los proyectos en los que están trabajando, desde mejorar nuestra comprensión de algunas enfermedades y desarrollar mejores medicamentos hasta desarrollar materiales avanzados para baterías”.

"Esta nueva tecnología tiene el potencial de cambiar las reglas del juego en la forma en que llevaremos a cabo experimentos de RMN de estado sólido en el futuro, abriendo oportunidades experimentales sin precedentes en términos de resolución y sensibilidad", dice Anne Lesage, directora adjunta del instituto. de ciencias analíticas de la Ecole Normale Superieure de Lyon, Francia, quien tampoco estuvo asociado con este trabajo.

El equipo de investigación también incluyó a Salima Bahri, Daniel Banks, Prashant Patil, William Langford, Camron Blackburn, Erik Strand, Brian Michael y Blake Dastrup, todos en el MIT. El trabajo contó con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU., el fondo CBA Consortia, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

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