Scanners à résonance magnétique nucléaire, comme le savent les hôpitaux, sont désormais extrêmement sensibles. Un capteur quantique développé par une équipe dirigée par le professeur Jörg Wrachtrup de l'Université de Stuttgart et des chercheurs de l'Institut Max Planck de recherche sur l'état solide de Stuttgart, permet maintenant d'utiliser le balayage par résonance magnétique nucléaire pour même étudier la structure de protéines individuelles atome par atome. À l'avenir, la méthode pourrait aider à diagnostiquer les maladies à un stade précoce en détectant les premières protéines défectueuses.

De nombreuses maladies trouvent leur origine dans des protéines défectueuses. Comme les protéines sont d'importants moteurs biochimiques, les défauts peuvent entraîner des perturbations du métabolisme. prions défectueux, qui causent des lésions cérébrales dans l'ESB et la maladie de Creutzfeldt-Jakob, sont un exemple. Les prions pathologiquement modifiés présentent des défauts dans leur structure moléculaire complexe. Le problème :des protéines défectueuses individuelles peuvent également induire des défauts dans des protéines intactes voisines via une sorte d'effet domino et ainsi déclencher une maladie. Il serait donc très utile que les médecins puissent détecter le premier, encore des prions individuels avec la mauvaise structure. Il a, cependant, n'a pas été possible à ce jour d'élucider la structure d'une biomolécule individuelle.

Dans un article publié dans Science , une équipe de chercheurs de Stuttgart a maintenant présenté une méthode qui pourra être utilisée à l'avenir pour l'étude fiable de biomolécules individuelles. Ceci est important non seulement pour lutter contre les maladies, mais aussi pour la recherche fondamentale chimique et biochimique.

La méthode implique la miniaturisation pour ainsi dire de la tomographie par résonance magnétique nucléaire (RMN) connue du génie médical, qui est généralement appelé IRM dans le domaine médical. La RMN utilise une propriété particulière des atomes - leur spin. En termes simples, le spin peut être considéré comme la rotation des noyaux atomiques et des électrons autour de leur propre axe, transformer les particules en minuscules, aimants en barre tournante. Le comportement de ces aimants est caractéristique de chaque type d'atome et de chaque élément chimique. Chaque particule oscille ainsi avec une fréquence spécifique.

Dans les applications médicales, il est normal qu'un seul type d'atome soit détecté dans le corps - l'hydrogène, par exemple. La teneur en hydrogène des différents tissus permet de distinguer l'intérieur du corps à l'aide de divers contrastes.

Résolution structurelle au niveau atomique

Lors de l'élucidation de la structure des biomolécules, d'autre part, chaque atome individuel doit être déterminé et la structure de la biomolécule ensuite déchiffrée pièce par pièce. L'aspect crucial ici est que les détecteurs RMN sont si petits qu'ils atteignent une résolution à l'échelle nanométrique et sont si sensibles qu'ils peuvent mesurer des molécules individuelles avec précision. Il y a plus de quatre ans, les chercheurs travaillant avec Jörg Wrachtrup ont conçu pour la première fois un si petit capteur RMN; il n'a pas, cependant, leur permettre de faire la distinction entre les atomes individuels.

Pour obtenir une résolution au niveau atomique, les chercheurs doivent être capables de distinguer les signaux de fréquence qu'ils reçoivent des atomes individuels d'une molécule – de la même manière qu'une radio identifie une station de radio au moyen de sa fréquence caractéristique. Les fréquences des signaux émis par les atomes d'une protéine sont les fréquences auxquelles les barres magnétiques atomiques de la protéine tournent. Ces fréquences sont très proches, comme si les fréquences de transmission des stations de radio essayaient toutes de se serrer dans une bande passante très étroite. C'est la première fois que les chercheurs de Stuttgart parviennent à une résolution de fréquence à laquelle ils peuvent distinguer les différents types d'atomes.

"Nous avons développé le premier capteur quantique capable de détecter les fréquences de différents atomes avec une précision suffisante et ainsi de résoudre une molécule presque en ses atomes individuels, " précise Jörg Wrachtrup. Il est ainsi désormais possible de scanner une grande biomolécule, comme c'était. Le capteur, qui agit comme une antenne RMN minute, est un diamant avec un atome d'azote intégré dans son réseau de carbone près de la surface du cristal. Les physiciens appellent le site de l'atome d'azote le centre NV :N pour l'azote et V pour la lacune, qui fait référence à un électron manquant dans le réseau de diamants directement adjacent à l'atome d'azote. Un tel centre NV détecte le spin nucléaire des atomes situés à proximité de ce centre NV.

Simple mais très précis

La fréquence de spin du moment magnétique d'un atome qui vient d'être mesurée est transférée au moment magnétique au centre NV, qui peut être vu avec un microscope optique spécial comme un changement de couleur.

Le capteur quantique atteint une sensibilité si élevée, car il peut stocker les signaux de fréquence d'un atome. Une seule mesure de la fréquence d'un atome serait trop faible pour le capteur quantique et éventuellement trop bruyante. La mémoire permet au capteur de stocker de nombreux signaux de fréquence sur une plus longue période de temps, cependant, et ainsi s'accorder très précisément sur la fréquence d'oscillation d'un atome - de la même manière qu'un récepteur à ondes courtes de haute qualité peut clairement détecter les canaux radio qui sont très proches les uns des autres.

Cette technologie présente d'autres avantages en dehors de sa haute résolution :elle fonctionne à température ambiante et, contrairement aux autres méthodes de RMN à haute sensibilité utilisées dans la recherche biochimique, il ne nécessite pas de vide. De plus, ces autres méthodes fonctionnent généralement près du zéro absolu - moins 273,16 degrés Celsius - nécessitant un refroidissement complexe à l'hélium.

Futur domaine d'application :la recherche sur le cerveau

Jörg Wrachtrup ne voit pas un mais plusieurs futurs domaines d'application pour ses capteurs quantiques à haute résolution. « Il est concevable que, dans le futur, il sera possible de détecter des protéines individuelles qui ont subi un changement notable au stade précoce d'une maladie et qui ont jusqu'à présent été négligées. Wrachtrup collabore avec une entreprise industrielle sur un capteur quantique légèrement plus grand qui pourrait être utilisé à l'avenir pour détecter les faibles champs magnétiques du cerveau. "Nous appelons ce capteur le lecteur cérébral. Nous espérons qu'il nous aidera à déchiffrer le fonctionnement du cerveau - et ce serait un bon complément aux appareils électriques conventionnels dérivés de l'EEG" - l'électroencéphalogramme. Pour le lecteur cérébral, Wrachtrup travaille déjà avec son partenaire industriel sur un support et un boîtier afin que l'appareil soit facile à porter et à utiliser au quotidien. Pour arriver à ce point, cependant, il faudra encore au moins dix ans de recherche.