NMR توسعه یافته ساختارهای شیمیایی را در کسری از زمان نمایان می‌سازد

محققان دانشگاه MIT، راهی ایجاد کردند تا حساسیت طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) را به طور چشمگیری افزایش دهند. NMR روشی است که برای مطالعه ساختار و ترکیب انواع بسیاری از مولکول‌ها، از جمله پروتئین‌های مرتبط با آلزایمر و دیگر بیماری‌ها، استفاده می‌شود.

رابرت گریفین، پروفسور شیمی Arthur Amos Noyes بیان کرد با استفاده از این روش جدید دانشمندان قادرند تنها در چند دقیقه ساختارهایی را بررسی کنند که در گذشته سال‌ها طول می‌کشید تا کشف شوند. این روش جدید، بر قدرت پالس‌های کوتاه میکروویو تکیه دارد و محققان را قادر می‌سازد ساختارهای بسیار پیچیده‌ای از پروتئین‌ها را که تا به حال مطالعه آن‌ها بسیار دشوار بود مشخص کنند. گریفین، نویسنده ارشد این مطالعه، همچنین بیان کرد:«این روش زمینه‌های پهناور و جدیدی از علوم شیمی، زیست، مواد و پزشکی را که درحال حاضر غیر قابل دسترسی هستند، خواهد گشود.»

محققین پسا دکترا از دانشگاه MIT، و از شرکت BioSpin نویسندگان این مقاله هستند.

حساسیت توسعه یافته

در گذشته NMR از خاصیت مغناطیسی هسته‌های اتمی برای نمایان ساختن ساختار مولکول‌هایی که شامل این هسته‌ها بودند، استفاده می‌کرد. NMR با ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی که با اسپین هسته‌های هیدروژن و دیگر اتم‌های ایزوتوپی همانند کربن یا نیتروژن برهم‌کنش می‌دهد، خاصیت تغییر شیمیایی این هسته‌ها را اندازه گیری می‌کند. این تغییرات برای هر اتم منحصر به فرد است و مانند اثر انگشت عمل می‌کند، که می‌توان از آن برای آشکارسازی نحوه اتصال این اتم‌ها استفاده کرد.

حساسیت NMR به قطبیت اتم‌ها بستگی دارد. قطبیت نوعی اندازه گیری تفاوت میان اسپین‌های هسته‌ای "بالا" و "پایین" در هر گروه اسپینی است. هرچه قطبی شدن شدیدتر باشد، حساسیت بیشتر خواهد بود. به طور معمول، محققان تلاش می‌کنند تا میزان قطبیت نمونه‌هایشان را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر تا ۳۵ تسلا، افزایش دهند.

رویکرد دیگری که گریفین و ریچارد تمکین از مرکز دانش پلاسمای MIT و مرکز Fusion در طول ۲۵ سال گذشته درحال توسعه آن هستند، قطبیت را با روشی به نام قطبی شدن هسته‌های پویا (DNP) افزایش می‌دهد. این روش شامل انتقال قطبیت از الکترون‌های جفت نشده‌ی رادیکال‌های آزاد به هسته‌های هیدروژن، کربن، نیتروژن، یا فسفر در نمونه مورد مطالعه می‌باشد. این امر قطبی شدن را افزایش می‌دهد و کشف ویژگی‌های ساختاری مولکول را آسان‌تر می‌کند.

به طور معمول DNP با تاباندن پیوسته‌ی امواج فرکانس بالای میکروویو به نمونه با دستگاهی به نام gyrotron انجام می‌شود. این روش حساسیت NMR را ۱۰۰ برابر افزایش می‌دهد. با این حال این روش به قدرت بالایی نیاز دارد و در میدان‌های مغناطیسی بالایی که حتی قدرت تشخیصی بیشتری را ارائه می‌دهند، به خوبی کار نمی‌کند. تیم محققان MIT برای غلبه بر این مشکل به جای قرار دادن نمونه در معرض تابش مستمر امواج میکروویو، پالس‌های کوتاهی از آن را تاباندند. با تاباندن این پالس‌ها با فرکانس مشخص، توانستند قطبیت را تا ۲۰۰ برابر افزایش دهند. این روش مشابه توسعه‌ی DNP سابق است، اما تنها به ۷ درصد از قدرت نیاز دارد. یکی از محققین بیان کرد:«ما می‌توانیم قطبیت را طی یک روش بسیار کارامد از طریق تابش موثر امواج میکروویو، انتقال دهیم. با تابش مستمر این امواج، شما صرفا قدرت میکروویو را منفجر می‌کنید، و بر مراحل یا طول پالس‌ها کنترلی ندارید.»

صرفه جویی در زمان

محققان بیان کردند، با بهبود حساسیت، نمونه‌هایی که در گذشته برای بررسی به نزدیک ۱۱۰ سال زمان نیاز داشتند، طی یک روز قابل مطالعه شدند. آن‌‌ها با استفاده از این روش مولکول‌های استاندارد شده‌ای همانند ترکیب گلیسرول-آب را بررسی کردند، اما اکنون استفاده از این روش را برای مولکول‌های پیچیده‌تر طرح ریزی می‌کنند.

یکی از زمینه‌های مهم علاقه‌مندی، پروتئین بتا آمیلوئید است، که در مغز بیماران آلزایمری انباشته می‌شود. محققان هم‌چنین مطالعه‌ی انواعی از پروتئین‌های غشایی مانند کانال‌های یونی و رودوسپین‌ها را که پروتئین‌های حساس به نور در غشاهای باکتریایی و همچنین شبکیه چشم انسان هستند، طرح ریزی می‌کنند. این روش به علت حساسیت بالا، می‌تواند داده‌های مفیدی را با آسان کردن مطالعه پروتئین‌هایی که دستیابی به آن‌ها در مقدارهای زیاد دشوار است، از نمونه‌های بسیار کوچکتر تولید کند.

منبع: Science Daily

مترجم: مبینا ترابی، مسئول خبرنامه شاخه دانشجویی نقشه برداری مغز