Neuartige mikroskalige Diamantrotoren könnten Proteinstudien verbessern

Jul 30, 2023

Viele der biologischen Materialien, an deren Untersuchung die Forscher am meisten interessiert sind, darunter auch solche, die mit schweren Krankheiten in Zusammenhang stehen, eignen sich nicht für die herkömmlichen Methoden, die Forscher normalerweise verwenden, um die Struktur und Chemie eines Materials zu untersuchen. Eine Technik heißt Magic-Angle-Spinning-Kern Magnetresonanz oder MAS-NMR hat sich als äußerst erfolgreiche Methode zur Bestimmung der Eigenschaften komplexer Moleküle wie einiger Proteine ​​erwiesen. Die mit solchen Systemen erreichbare Auflösung hängt jedoch von der Drehfrequenz winziger Rotoren ab, und diese Systeme stoßen an Grenzen, die durch die Rotormaterialien auferlegt werden. Die meisten der heute verwendeten Geräte basieren auf Rotoren aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid, die so dünn sind eine Stecknadel. Solche Rotoren zerfallen, wenn sie viel schneller als einige Millionen Umdrehungen pro Minute gedreht werden, was die Materialien, die mit solchen Systemen untersucht werden können, begrenzt. Doch jetzt haben Forscher am MIT eine Methode entwickelt, um diese winzigen, präzisen Rotoren aus reinem Diamantkristall herzustellen, dessen viel größere Festigkeit es ihm ermöglichen könnte, sich bei weitaus höheren Frequenzen zu drehen. Der Fortschritt öffnet die Tür zur Untersuchung einer Vielzahl wichtiger Moleküle, einschließlich derjenigen, die in den mit der Alzheimer-Krankheit verbundenen Amyloid-Plaques gefunden werden. Die neue Methode wird im Journal of Magnetic Resonance in einem Artikel der MIT-Absolventen Natalie Golota und Zachary Fredin beschrieben , Daniel Banks und David Preiss; die Professoren Robert Griffin, Neil Gershenfeld und Keith Nelson; und sieben weitere am MIT. Die MAS-NMR-Technik, sagt Gershenfeld, „ist das Werkzeug der Wahl für die [Analyse] komplexer biologischer Proteine ​​in biologisch bedeutsamen Umgebungen.“ Beispielsweise könnte eine Probe in einer flüssigen Umgebung analysiert werden, anstatt sie zur Untersuchung auszutrocknen, zu kristallisieren oder zu beschichten. „Nur [Festkörper-]NMR funktioniert in der chemischen Umgebung“, sagt er. Die grundlegende Methode gibt es schon seit Jahrzehnten, erklärt Griffin und besteht darin, einen winzigen Zylinder, der mit dem zu untersuchenden Material gefüllt ist, in ein Magnetfeld zu bringen, wo es sich befindet kann mithilfe von Gasstrahlen, meist Stickstoff, aufgehängt und auf hohe Frequenzen gedreht und anschließend mit Hochfrequenzimpulsen beaufschlagt werden, um die wichtigsten Eigenschaften des Materials zu bestimmen. Der Begriff „magischer Winkel“ bezieht sich auf die Tatsache, dass, wenn sich der Zylinder, der die Probe enthält, in einem genauen Winkel (54,74 Grad) relativ zum angelegten Magnetfeld dreht, verschiedene Quellen der Verbreiterung der Spektrallinien abgeschwächt werden und ein Spektrum mit viel höherer Auflösung entsteht ist möglich.Mit freundlicher Genehmigung der ForscherAber die Auflösung dieser Spektren wird direkt dadurch begrenzt, wie schnell sich die winzigen Zylinder oder Rotoren drehen können, bevor sie zerbrechen. Im Laufe der Jahre wurden frühe Versionen aus verschiedenen Kunststoffen hergestellt, später kamen Keramikmaterialien und schließlich Zirkonium zum Einsatz, „das das Material der Wahl ist, aus dem heutzutage die meisten Rotoren hergestellt werden“, sagt Griffin.Solche MAS-NMR-Systeme sind weit verbreitet Wird in der biochemischen Forschung als Werkzeug zur Untersuchung der molekularen Struktur von Materialien, einschließlich Proteinen, bis hin zur Ebene einzelner Atome verwendet, die mit anderen Standardlabormethoden nur schwer oder gar nicht untersucht werden können. Dazu gehören nicht nur Amyloidfibrillen, sondern auch Membranproteine ​​und einige virale Aggregate. Aber einige der dringendsten Herausforderungen sowohl in der Biomedizin als auch in den Materialwissenschaften liegen gerade außerhalb der Reichweite der Auflösung heutiger MAS-NMR-Systeme. „Als wir zu Rotationsfrequenzen über 100 Kilohertz übergingen“, was 6 Millionen Umdrehungen pro Minute entspricht, sagt Griffin, „Diese Rotoren sind sehr problematisch geworden. Sie fallen in etwa 50 Prozent der Fälle aus – und man verliert eine Probe und die NMR-Spule wird zerstört.“ Das Team beschloss, das damals für unmöglich gehaltene Problem anzugehen und die Rotoren aus einkristallinem Diamant herzustellen. Sogar die Firma, die das von ihnen verwendete Lasersystem herstellte, glaubte, dass dies nicht möglich sei, und es erforderte jahrelange Arbeit von einem interdisziplinären Team, an dem Studenten und Forscher sowohl des Center for Bits and Atoms des MIT als auch der Fakultät für Chemie beteiligt sind, um dieses Herstellungsproblem zu lösen. (Die Zusammenarbeit entstand aus der Mitarbeit von Griffin und Gershenfeld im Killian Award Committee des MIT). Sie entwickelten eine Art laserbasiertes Drehsystem, das ein Stück Diamant schnell dreht, während es mit dem Laser bearbeitet wird, wodurch im Wesentlichen seine äußeren Schichten verdampft werden, bis ein vollkommen glatter Zylinder mit einem Durchmesser von nur 0,7 Millimetern (etwa 1/36 Zoll) übrig bleibt. Dann wird mit demselben Laser ein perfekt zentriertes Loch durch die Mitte des Zylinders gebohrt, wodurch eine Art Trinkhalmform entsteht. „Es ist nicht offensichtlich, dass es funktionieren würde“, sagt Gershenfeld, „aber der Laser verwandelt den Diamanten in Graphit.“ und treibt den Kohlenstoff aus, und Sie können dies schrittweise tun, um tief in den Diamanten zu bohren. „Der Diamant entsteht aus dem Bearbeitungsprozess mit einer schwarzen Schicht aus reinem Graphit, aber die MIT-Forscher fanden heraus, dass dies durch Erhitzen des Rotors über Nacht beseitigt werden konnte bei etwa 600 Grad Celsius (ca. 1.100 Grad Fahrenheit). Das Ergebnis ist ein Rotor, der sich bereits mit 6 Millionen Umdrehungen pro Minute drehen kann, der Geschwindigkeit der besten Zirkonoxidrotoren, und darüber hinaus weitere vorteilhafte Eigenschaften aufweist, darunter eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit und Hochfrequenztransparenz.Fredin weist darauf hin, dass alle Teile, die zur Herstellung dieses hochpräzisen Bearbeitungssystems benötigt werden, „alle genau hier entworfen und hergestellt“ wurden, in einem Kellerlabor im Center for Bits and Atoms. „Ein entscheidender Aspekt dieses Projekts war es, in der Lage zu sein, alles physisch zu entwerfen, herzustellen und viele Male am Tag im eigenen Haus zu iterieren, anstatt Dinge an externe Maschinenwerkstätten schicken zu müssen.“ Jetzt sollten viel höhere Spinnfrequenzen erreicht werden Dies sei mit diesen neuen Rotoren zwar möglich, sagen die Forscher, aber es bedarf der Entwicklung neuer Lager und neuer Systeme, die auf Helium anstelle von Stickstoff basieren, um die Rotation anzutreiben, um die höheren Geschwindigkeiten und den entsprechenden Auflösungssprung zu erreichen. „Es hat sich nie gelohnt, diese Helium-kompatiblen Lager für diese kleinen Rotoren zu entwickeln, bis sich diese Technologie bewährt hat, als die bisher verwendeten Rotoren den Spinngeschwindigkeiten nicht mehr standhalten konnten“, die am Ende bis zu 20 Millionen betragen könnten Umdrehungen pro Minute, sagt Golota. Solch hohe Rotationsraten sind außerhalb des NMR-Bereichs nahezu unbekannt. Als Maschinenbauingenieur sagt Preiss: „Es kommt selten vor, dass sich etwas über Zehntausende Umdrehungen pro Minute dreht.“ Als er zum ersten Mal die Zahl von 6 Millionen U/min für diese Geräte hörte, sagte er: „Ich dachte irgendwie, das wäre ein Witz.“ Aufgrund dieser hohen Geschwindigkeiten, sagt Gershenfeld, können durch jede Unvollkommenheit leicht Instabilitäten entstehen: „Wenn es auch nur eine kleine ist.“ Asymmetrie in der Struktur, bei diesen Frequenzen ist man dem Untergang geweiht.“ Golota sagt, dass in ihren Experimenten mit aktuellen Zirkonoxidrotoren „wenn die Rotoren ausfallen, explodieren sie, und man gewinnt im Wesentlichen nur Staub zurück. Aber wenn die Diamantrotoren ausfallen, tun wir.“ „Sie konnten sie unversehrt bergen. Sie sparen also auch die Probe, die für den Benutzer eine unschätzbare Ressource sein kann.“ Sie haben den neuen Diamantrotor bereits verwendet, um die Kohlenstoff-13- und Stickstoff-15-Spektren von a zu erzeugen kleines Peptid, was die Leistungsfähigkeit des neuen Diamantrotormaterials deutlich demonstriert, das laut Griffin das erste neue Material für solche Rotoren ist, das in den letzten drei Jahrzehnten entwickelt wurde. „Wir haben Spektren wie diese ausgiebig genutzt“, sagt er, „um die Struktur von Amyloid-Beta 1-42 zu bestimmen, einer toxischen Spezies bei der Alzheimer-Krankheit.“ Proben solchen Materials seien schwer zu bekommen und meist nur in winzigen Mengen erhältlich, sagt er. „Wir haben jetzt einen kleinen Rotor, der hoffentlich sehr zuverlässig sein wird, in den man zwei oder drei Milligramm Material einfüllen und Spektraldaten wie diese erhalten kann“, sagt er und zeigt auf die erhaltenen Probendaten. „Es ist wirklich aufregend und wird viele neue Forschungsbereiche eröffnen.“ Diese Arbeit „ist wirklich bemerkenswert“, sagt David Doty, Präsident von Doty Scientific, einem Hersteller von NMR-Systemen, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war. „Es wäre sehr schwer gewesen, jemanden außerhalb dieser Gruppe zu finden, der es für möglich gehalten hätte, Diamantrotoren mit der für Fast-MAS erforderlichen Präzision per Laser zu bearbeiten, bevor er tatsächlich gesehen hätte, wie es funktioniert“, sagt er. Doty fügt hinzu: „Was sie tun.“ bisher gezeigt haben … ist geradezu erstaunlich. Wenn die zusätzlich benötigten Fortschritte erzielt werden können, werden Hunderte von NMR-Forschern diese benötigen, um bessere Daten für die Projekte zu erhalten, an denen sie arbeiten, von der Verbesserung unseres Verständnisses einiger Krankheiten bis hin zur Entwicklung „Diese neue Technologie hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir in Zukunft Festkörper-NMR-Experimente durchführen werden, grundlegend zu verändern und beispiellose experimentelle Möglichkeiten in Bezug auf Auflösung und Empfindlichkeit zu eröffnen.“ sagt Anne Lesage, stellvertretende Direktorin des Instituts für Analytische Wissenschaften an der Ecole Normale Supérieure in Lyon, Frankreich, die ebenfalls nicht an dieser Arbeit beteiligt war. Zum Forschungsteam gehörten außerdem Salima Bahri, Daniel Banks, Prashant Patil, William Langford und Camron Blackburn , Erik Strand, Brian Michael und Blake Dastrup, alle am MIT. Die Arbeit wurde von den US National Institutes of Health, dem CBA Consortia Fund, dem US Department of Energy und der US National Science Foundation unterstützt.