Les chercheurs du MIT ont développé un moyen d'améliorer considérablement la sensibilité de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), une technique utilisée pour étudier la structure et la composition de nombreux types de molécules, y compris les protéines liées à la maladie d'Alzheimer et à d'autres maladies.

Grâce à cette nouvelle méthode, les scientifiques devraient être capables d'analyser en quelques minutes des structures qui auraient auparavant pris des années à déchiffrer, dit Robert Griffin, le professeur de chimie Arthur Amos Noyes. La nouvelle approche, qui repose sur de courtes impulsions de puissance micro-ondes, pourrait permettre aux chercheurs de déterminer les structures de nombreuses protéines complexes qui ont été difficiles à étudier jusqu'à présent.

« Cette technique devrait ouvrir de vastes nouveaux domaines de la chimie, biologique, matériaux, et la science médicale qui sont actuellement inaccessibles, " dit Griffin, l'auteur principal de l'étude.

Le postdoctorant du MIT Kong Ooi Tan est l'auteur principal de l'article, qui apparaît dans Avancées des sciences le 18 janvier. Chen Yang et Guinevere Mathies, anciens post-doctorants du MIT, et Ralph Weber de Bruker BioSpin Corporation, sont également les auteurs de l'article.

Sensibilité améliorée

La RMN traditionnelle utilise les propriétés magnétiques des noyaux atomiques pour révéler les structures des molécules contenant ces noyaux. En utilisant un champ magnétique puissant qui interagit avec les spins nucléaires de l'hydrogène et d'autres atomes marqués par des isotopes tels que le carbone ou l'azote, La RMN mesure un trait connu sous le nom de déplacement chimique pour ces noyaux. Ces décalages sont uniques pour chaque atome et servent donc d'empreintes digitales, qui peut être encore exploité pour révéler comment ces atomes sont connectés.

La sensibilité de la RMN dépend de la polarisation des atomes - une mesure de la différence entre la population de spins nucléaires "up" et "down" dans chaque ensemble de spins. Plus la polarisation est grande, la plus grande sensibilité qui peut être obtenue. Typiquement, les chercheurs tentent d'augmenter la polarisation de leurs échantillons en appliquant un champ magnétique plus fort, jusqu'à 35 teslas.

Une autre approche, que Griffin et Richard Temkin du Plasma Science and Fusion Center du MIT ont développé au cours des 25 dernières années, améliore encore la polarisation en utilisant une technique appelée polarisation nucléaire dynamique (DNP). Cette technique consiste à transférer la polarisation des électrons non appariés des radicaux libres à l'hydrogène, carbone, azote, ou des noyaux de phosphore dans l'échantillon étudié. Cela augmente la polarisation et facilite la découverte des caractéristiques structurelles de la molécule.

La DNP est généralement réalisée en irradiant en continu l'échantillon avec des micro-ondes à haute fréquence, à l'aide d'un instrument appelé gyrotron. Cela améliore la sensibilité RMN d'environ 100 fois. Cependant, cette méthode nécessite beaucoup de puissance et ne fonctionne pas bien à des champs magnétiques plus élevés qui pourraient offrir des améliorations de résolution encore plus importantes.

Pour surmonter ce problème, l'équipe du MIT a trouvé un moyen de fournir de courtes impulsions de rayonnement micro-ondes, au lieu d'une exposition continue aux micro-ondes. En délivrant ces impulsions à une fréquence spécifique, ils ont pu améliorer la polarisation jusqu'à un facteur 200. Ceci est similaire à l'amélioration obtenue avec le DNP traditionnel, mais il ne nécessite que 7 pour cent de la puissance, et contrairement au DNP traditionnel, il peut être mis en œuvre à des champs magnétiques plus élevés.

"Nous pouvons transférer la polarisation d'une manière très efficace, grâce à une utilisation efficace de l'irradiation par micro-ondes, " dit Tan. "Avec l'irradiation continue, vous venez de faire exploser la puissance des micro-ondes, et vous n'avez aucun contrôle sur les phases ou la durée des impulsions."

Gagner du temps

Avec cette amélioration de la sensibilité, des échantillons qui auraient auparavant mis près de 110 ans à analyser pourraient être étudiés en une seule journée, disent les chercheurs. Dans le Avancées des sciences papier, ils ont démontré la technique en l'utilisant pour analyser des molécules d'essai standard telles qu'un mélange glycérol-eau, mais ils envisagent désormais de l'utiliser sur des molécules plus complexes.

Un domaine d'intérêt majeur est la protéine bêta-amyloïde qui s'accumule dans le cerveau des patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Les chercheurs prévoient également d'étudier une variété de protéines liées à la membrane, tels que les canaux ioniques et les rhodopsines, qui sont des protéines sensibles à la lumière présentes dans les membranes bactériennes ainsi que dans la rétine humaine. Parce que la sensibilité est si grande, cette méthode peut fournir des données utiles à partir d'un échantillon beaucoup plus petit, ce qui pourrait faciliter l'étude de protéines difficiles à obtenir en grande quantité.

L'étude est publiée dans Avancées scientifiques .