La configuration nano-IRM proposée consiste en un qubit atomique positionné à 2 à 4 nm sous une surface contenant une molécule. Le qubit agit à la fois comme capteur et source du champ magnétique pour coder les spins nucléaires de la molécule. Les données de densité nucléaire sont ensuite utilisées pour générer une image 3D de la structure moléculaire avec une résolution au niveau de l'angström. Crédit :Perunicic et al., Communication Nature
(Phys.org) - De la même manière qu'une machine d'imagerie par résonance magnétique (IRM) conventionnelle utilise de gros aimants pour générer des images 3D, des physiciens ont développé une proposition pour une machine de nano-IRM quantique qui utiliserait les propriétés magnétiques d'un seul qubit atomique pour générer des images 3D avec une résolution de niveau angström (0,1 nanomètre). La nouvelle technique pourrait conduire au développement de microscopes à molécule unique pour l'imagerie de biomolécules, avec des applications dans la découverte de médicaments et une meilleure compréhension des maladies.
Les chercheurs, dirigé par Lloyd Hollenberg, professeur de physique à l'Université de Melbourne, ont publié un article sur la nouvelle technique dans un récent numéro de Communication Nature .
« Les progrès scientifiques continus au cours des dernières décennies nous ont permis de comprendre et donc de guérir de nombreux problèmes médicaux à l'échelle macroscopique, par exemple des fractures osseuses ou des caillots sanguins, " L'auteur principal Viktor Perunicic de l'Université de Melbourne a déclaré Phys.org . "Toutefois, les maladies auxquelles l'humanité est confrontée aujourd'hui sont microscopiques, car ils proviennent de dysfonctionnements au niveau moléculaire, par exemple une protéine d'une forme déformée quelque part dans une cellule. Cancer, Diabète, les infections virales et bien d'autres ont ceci en commun, pourtant, à l'heure actuelle, il n'y a presque aucun moyen de voir ce qui se passe à l'intérieur de notre corps à ce niveau.
« Dans notre travail, nous visons à résoudre ce problème en développant un modèle de technologie qui peut permettre un aperçu visuel 3D direct de la structure atomique des molécules individuelles dans leur environnement cellulaire. Nous y parvenons en tirant parti de la technologie de l'informatique quantique dans un concept qui porte l'imagerie par résonance magnétique à l'échelle atomique. »
Le système d'imagerie proposé consiste en un qubit atomique placé à environ 2 nanomètres sous une surface contenant la molécule à imager. Le qubit agit à la fois comme la source et le capteur des champs magnétiques, avec ses propriétés magnétiques quantiques (son spin) interagissant avec les propriétés magnétiques des atomes de la molécule cible. En collectant des données sur ces interactions à différentes orientations, le système pourrait déterminer les positions des atomes individuels et construire une image 3D de la structure de la molécule cible.
Les scientifiques ont simulé la nouvelle technique à l'aide d'une molécule de rapamycine (C
La densité nucléaire de la molécule cible est transformée en une image de densité nucléaire 3D d'atomes d'hydrogène et de carbone. Les positions atomiques sont directement extraites des données d'image de densité. Crédit :Perunicic et al., Communication Nature
"La capacité d'imager la structure atomique des molécules dans leurs environnements cellulaires natifs est vitale à la fois pour comprendre l'origine de la maladie et trouver son remède, " Hollenberg a dit. " Par exemple, dans la recherche et le test de nouveaux médicaments, il faudrait d'abord identifier une cible, souvent une protéine membranaire. L'imagerie de la véritable structure de la protéine dans l'environnement cellulaire est essentielle pour comprendre comment les molécules médicamenteuses vont interagir avec elle. Sur la base de ces informations, une molécule médicamenteuse pourrait être sélectionnée ou conçue. Surtout, le même appareil d'imagerie permettrait de comprendre et de tester l'efficacité du médicament, en observant ses interactions avec la molécule cible au niveau atomique. Notre objectif est de développer une technologie polyvalente pour observer la structure atomique biochimique actuellement inaccessible de molécules importantes in situ, d'une manière analogue à la façon dont les appareils d'IRM des hôpitaux observent l'anatomie de notre corps."
En raison de la grande quantité de données impliquées, les simulations montrent que le temps total pour générer une image de la molécule de rapamycine est actuellement d'environ 175 heures. Cependant, les chercheurs s'attendent à ce que les améliorations futures réduiront considérablement ce temps, ainsi que d'augmenter encore la résolution. À l'avenir, ils prévoient également d'étendre la conception du système pour l'imagerie de biomolécules plus grosses.
"Jusqu'à présent, nos travaux se sont concentrés sur les bases théoriques fondamentales, comprendre comment construire physiquement l'appareil avec une technologie actuellement accessible, " Perunicic a déclaré. "Nous développons le contrôle mécanique quantique complexe qui fournirait la capacité d'imager des molécules individuelles, et effectuent également des simulations pour tester les performances dans des conditions réalistes. Les résultats de ces enquêtes étant encourageants, la direction naturelle pour les deux prochaines années est de s'aventurer dans des démonstrations expérimentales de preuve de concept."
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