Déterminer la configuration exacte des protéines et autres molécules biologiques complexes est une étape importante vers la compréhension de leurs fonctions, y compris comment ils se lient aux récepteurs dans le corps. Mais une telle imagerie est difficile à réaliser. Cela nécessite généralement que les molécules soient d'abord cristallisées afin que les techniques de diffraction des rayons X puissent être appliquées - et toutes ces molécules ne peuvent pas être cristallisées.

Maintenant, une nouvelle méthode développée par des chercheurs du MIT pourrait conduire à un moyen de produire des images haute résolution de biomolécules individuelles sans nécessiter de cristallisation, et il pourrait même permettre une imagerie agrandie de sites spécifiques au sein des molécules. La technique pourrait également être appliquée à l'imagerie d'autres types de matériaux, y compris les matériaux bidimensionnels et les nanoparticules.

Les résultats sont rapportés cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , dans un article de Paola Cappellaro, la professeure agrégée Esther et Harold E. Edgerton de sciences et d'ingénierie nucléaires au MIT, et d'autres au MIT et à l'Université de technologie et de design de Singapour.

"Il y a des avantages à pouvoir voir au niveau de molécules protéiques uniques, " Cappellaro dit, car cela permet l'imagerie de certaines molécules qui ne peuvent pas être imagées à l'aide de la méthode conventionnelle aux rayons X. « Il existe certains types de molécules, comme les protéines membranaires, qui sont assez difficiles à cristalliser."

La méthode utilise un type de défaut dans les cristaux de diamant connu sous le nom de centre de vacance d'azote, un endroit où l'un des atomes de carbone du cristal a été remplacé par un atome d'azote. De tels défauts, qui peut donner une teinte rose aux diamants, rendre le cristal extrêmement sensible aux changements de champs magnétiques et électriques, faisant du centre de vacance d'azote un détecteur efficace de telles variations. Lorsqu'une molécule est proche du cristal, les lacunes d'azote près de la surface du cristal répondront aux spins nucléaires au sein de cette molécule, et cette réponse peut être détectée.

Mais ces capteurs ont été sévèrement limités par le taux d'échantillonnage des impulsions micro-ondes utilisées pour les sonder. Maintenant, l'équipe de recherche a découvert que cette limitation peut être surmontée en utilisant une méthode qu'ils appellent "l'interpolation quantique, " qui améliore de plus de cent fois le pouvoir de résolution de tels systèmes, dit Cappellaro.

Afin de révéler les infimes variations des champs magnétiques associés à certains atomes de la molécule dont la configuration est en cours d'analyse, il faut observer les changements qui se produisent en quelques picosecondes, ou des billions de seconde. En principe, de si petits incréments de temps peuvent être résolus à l'aide de grands, instruments spécialisés, mais ceux-ci sont très chers et ne sont pas disponibles pour la plupart des chercheurs. Alors Cappellaro et ses élèves, ne pas avoir accès à de tels systèmes, partir à la recherche d'un prix inférieur, approche plus simple pour faire de telles observations.

Le nouveau schéma est similaire à la façon dont certains appareils photo de téléphones portables offrent une meilleure résolution en prenant plusieurs images de la même scène, avec des expositions légèrement différentes, puis en additionnant les images. C'est également similaire aux techniques sophistiquées utilisées par les astronomes et les chercheurs de la NASA pour améliorer la résolution des images prises par les rovers planétaires ou le télescope spatial Hubble. "Nous essayons d'imiter ce que l'œil humain fait automatiquement, " qui consiste à se déplacer constamment et à construire des détails à travers plusieurs images de la même zone, que le cerveau assemble en une seule image, dit Cappellaro.

Dans ce cas, la technique est appliquée aux variations de l'intensité d'un champ magnétique, plutôt que des variations d'intensité lumineuse et de couleur, mais les principes sous-jacents sont similaires. Et, alors que la technique classique consiste à prendre une série d'images et à les additionner, dans cette méthode, les chercheurs prennent une seule image mais varient la séparation des impulsions micro-ondes lors de l'acquisition de cette image.

En appliquant des impulsions micro-ondes séparées par des incréments de temps sur une échelle de nanosecondes - plus de 100 fois plus longue que la résolution temporelle souhaitée - l'équipe a pu atteindre la résolution plus élevée qui serait nécessaire pour obtenir des informations structurelles détaillées sur l'état de spin. d'atomes individuels dans les molécules biologiques. Les données pourraient être utilisées pour aider à démêler les formes complexes de certaines protéines biologiquement importantes et d'autres molécules, ainsi que d'autres types de matériaux.

Jusque là, les expériences de preuve de principe de l'équipe ont produit des images du seul spin nucléaire associé au capteur lui-même, le centre de vacance d'azote dans un cristal de diamant. L'étape suivante, qui, selon Cappellaro, devrait être à portée de main maintenant que le principe a été validé, sera d'essayer la méthode sur des biomolécules réelles.

"Toutes les différentes pièces ont été démontrées" pour permettre l'imagerie moléculaire, elle dit. « Donc, la combinaison des différentes techniques devrait être simple, bien que difficile à atteindre, objectif." La prochaine étape, elle dit, est de voir "si on peut mesurer une seule protéine dans son environnement naturel, " qui peuvent aider à révéler des caractéristiques importantes telles que les sites de liaison.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.