MRT für Viren

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine tragende Säule der medizinischen und neurowissenschaftlichen Forschung. Es kann tief im Gewebe nichtinvasiv sondieren und liefert Informationen über das Vorhandensein bestimmter Chemikalien. Aber weil die magnetischen Kräfte, die es erkennt, so winzig sind, ist die MRT nicht sehr empfindlich: Sie zeigt typischerweise Strukturen im Millimeter- bis Submillimeterbereich.

Nanonadel: An der Spitze dieses nanoskaligen Siliziumauslegers ist eine kleine Probe des Tabakmosaikvirus befestigt. Wenn Wasserstoffkerne in der Probe mit einem nahegelegenen Magneten interagieren, vibriert der Ausleger leicht. Durch die Überwachung dieser Schwingungen per Laser können Forscher ein 3-D-Bild der Viren erstellen. Diese Technik, die als Magnetresonanzkraftmikroskopie bezeichnet wird, ist eine stark verkleinerte Version der MRT.

Jetzt Forscher bei IBM Almaden-Forschungszentrum , in Kalifornien, haben einen MRT-Scanner mit einer 100 Millionen Mal besseren Auflösung entwickelt – gut genug, um einzelne Viruspartikel abzubilden. Mit weiteren Verfeinerungen könnte die Technik eines Tages verwendet werden, um 3-D-Bilder einzelner Moleküle zu erzeugen.

Der Traum, ein einzelnes Molekül abzubilden, hält Chemiker nachts wach, sagt John Marohn , außerordentlicher Professor für Chemie und chemische Biologie an der Cornell University. Wenn Sie dieses Tool hätten, könnten Sie unendlich viele Dinge damit machen und das Gute, das daraus resultieren würde, ist endlos.

Die MRT macht sich die Tatsache zunutze, dass die Kerne einiger Elemente, wie zum Beispiel Wasserstoff, wie winzige Magnete wirken. Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, rotieren diese Kerne mit charakteristischen Frequenzen um die Richtung des Feldes und erzeugen winzige magnetische Fluktuationen. In einem typischen MRT-Scanner erkennt eine elektrische Spule diese Schwankungen und verwendet sie, um die räumliche Verteilung der Wasserstoffkerne abzubilden, wodurch ein Bild des gescannten Gewebes erzeugt wird.

Da die MRT so gut darin ist, 3D-Bilder von inneren Strukturen zu erstellen, möchten Wissenschaftler sie für die Abbildung viel kleinerer biologischer Proben, wie beispielsweise einzelner Proteine, nutzen. Aber die Detektionsspule lässt sich nicht sehr gut verkleinern – je kleiner die Spule, desto geringer die Empfindlichkeit – wodurch kleinere Proben und eine feinere Auflösung außerhalb des Bereichs der konventionellen MRT bleiben.

Der von IBM entwickelte neue Scanner nutzt eine neue Technologie namens Magnetresonanzkraftmikroskopie (MRFM). MRFM umgeht die Grenzen der MRT, indem ein physikalischer statt eines elektrischen Detektors verwendet wird, um die winzigen magnetischen Kräfte aufzunehmen, die von rotierenden Kernen erzeugt werden.

Es ist eine viel empfindlichere Methode, den Magnetismus der Kerne zu erkennen, sagt Dan Rugar, Manager für Nanostudien am IBM Almaden Research Center und Leiter des Teams, das das neue Gerät entwickelt hat.

Rugar und seine Kollegen platzieren die abzubildende Probe auf der Spitze eines winzigen, äußerst empfindlichen Silizium-Cantilevers. In der Nähe der Spitze befindet sich ein sehr kleiner Magnet. Mit einem mikroskopisch kleinen Draht erzeugen die Forscher ein oszillierendes Magnetfeld, das die Wasserstoffkerne in der Probe dazu bringt, zwischen Anziehung und Abstoßung des Magneten hin und her zu springen. Die dabei entstehenden physikalischen Schwingungen im Cantilever werden von einem Laser erfasst und zur Bildkonstruktion verwendet.

Miniatur-MRT: Ein Schema des von IBM entwickelten Scangeräts. Die Probe wird am Ende eines ultraempfindlichen Silizium-Cantilevers platziert und in der Nähe einer winzigen Magnetspitze positioniert. Ein Mikrodraht erzeugt ein oszillierendes Magnetfeld, das bewirkt, dass Wasserstoffkerne in einem dünnen Abschnitt der Probe – der Resonanzscheibe – zwischen Anziehung und Abstoßung der Magnetspitze hin und her springen. Dadurch vibriert der Cantilever leicht. Diese Schwingungen werden mit einem Laser-Inferometer gemessen und in ein 3-D-Bild der Probe übersetzt.

Das oszillierende Feld ist so präzise abgestimmt, dass nur die Kerne in einem sehr kleinen Splitter der Probe, der Resonanzscheibe, ansprechen. Durch das Scannen des Magneten in einem dreidimensionalen Muster können die Forscher die resonante Scheibe durch die Probe bewegen. Es ist diese Präzision, die es dem Gerät ermöglicht, ein so hochauflösendes Bild zu erstellen.

Andere Formen der hochauflösenden Bildgebung, wie die Rastertunnelmikroskopie und die Rasterkraftmikroskopie, können nur die Oberfläche einer Substanz sehen. Aufgrund der resonanten Schicht kann MRFM tief in die Probe eindringen und ein 3D-Bild ihrer inneren Struktur erstellen.

MRFM entstand zum ersten Mal in den frühen 1990er Jahren, und IBM ist ein beständiger Marktführer auf diesem Gebiet. In einem wegweisenden Experiment im Jahr 2004 nutzten Rugar und seine Kollegen die Technologie, um den Spin eines einzelnen Elektrons nachzuweisen. In jüngerer Zeit erstellten sie Bilder einer nichtbiologischen Probe mit einer Auflösung von bis zu 90 Nanometern – weit besser als die konventionelle MRT, aber nicht annähernd empfindlich genug, um einzelne biologische Strukturen zu modellieren.

Jetzt, nach Jahren akribischer schrittweiser Fortschritte, hat Rugars Team eine Nanometer-Auflösung einer biologischen Probe erreicht. Das Team entschied sich, das robuste, gut verstandene Tabakmosaikvirus als Proof of Concept zu verwenden und sah Details von nur vier Nanometern. .

Dies ist tatsächlich das erste Mal, dass diese Technik an einer biologischen Probe verwendet wird, sagt Rugar. Wir wollten zeigen, dass es wirklich Biologie kann, denn das ist schließlich unser übergeordnetes Ziel.

Dieses erfolgreiche Experiment öffnet die Tür zu einem breiten Spektrum biologischer Anwendungen, sagt Rugar. Insbesondere möchte er einzelne Proteine ​​abbilden, um deren innere dreidimensionale Struktur zu bestimmen.

Sie haben Tausende von Proteinen in Ihrem Körper, die keine bekannte Struktur haben, weil es keine Technik gibt, um ihre Struktur zu bestimmen, sagt Rugar. Der Goldstandard zur Lösung der Proteinstruktur ist derzeit die Röntgenkristallographie, die auf kristallisierbare Proteine ​​beschränkt ist.

Der Nano-MRT-Scanner würde dieser Einschränkung nicht unterliegen. Theoretisch wäre es mit einer weiteren Verbesserung der Auflösung möglich, Proteine ​​in ihrem nativen Zustand durch schnelles Einfrieren zu untersuchen. MRFM muss bei einer sehr niedrigen Temperatur – knapp über dem absoluten Nullpunkt – durchgeführt werden, um das durch thermische Schwingungen verursachte Rauschen zu minimieren.

Die wirkliche Bedeutung davon ist, dass es zeigt, dass die Grenzen von MRFM noch nicht erreicht sind und sie immer noch auf dem Weg sind, einen atomaren Imager zu entwickeln, sagt Jonathan Jacky , ein Forscher an der University of Washington. Ein Imager im atomaren Maßstab wäre eines der bedeutendsten wissenschaftlichen Instrumente aller Zeiten. Es wäre auf der gleichen Ebene wie das Teleskop oder das Lichtmikroskop. Das ist das wirklich Spannende daran.

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