Nueva forma de mecanizar pequeños rotores de diamante podría mejorar los estudios de proteínas

Sep 07, 2023

24 de mayo de 2023

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por David L. Chandler, Instituto de Tecnología de Massachusetts

Muchos de los materiales biológicos que los investigadores están más interesados ​​en estudiar, incluidos los asociados con las principales enfermedades, no se prestan a los métodos convencionales que los investigadores suelen utilizar para probar la estructura y la química de un material.

Una técnica, llamada resonancia magnética nuclear giratoria de ángulo mágico, o MAS-NMR, ha demostrado ser muy exitosa como una forma de determinar las propiedades de moléculas complejas como algunas proteínas. Pero la resolución alcanzable con tales sistemas depende de la frecuencia de giro de los pequeños rotores, y estos sistemas se han topado con los límites impuestos por los materiales del rotor.

La mayoría de estos dispositivos que se utilizan hoy en día se basan en rotores hechos de zirconio estabilizado con itria, que son tan delgados como un alfiler. Dichos rotores se desmoronan si giran mucho más rápido que unos pocos millones de revoluciones por minuto, lo que limita los materiales que se pueden estudiar con tales sistemas. Pero ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un método para fabricar estos rotores diminutos y precisos a partir de cristal de diamante puro, cuya fuerza mucho mayor podría permitirle girar a frecuencias mucho más altas. El avance abre la puerta al estudio de una amplia variedad de moléculas importantes, incluidas las que se encuentran en las placas amiloides asociadas con la enfermedad de Alzheimer.

El nuevo método se describe en el Journal of Magnetic Resonance, en un artículo de los estudiantes graduados del MIT Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks y David Preiss; los profesores Robert Griffin, Neil Gershenfeld y Keith Nelson; y otros siete en el MIT.

La técnica MAS-NMR, dice Gershenfeld, "es la herramienta elegida para [analizar] proteínas biológicas complejas en entornos biológicamente significativos". Por ejemplo, una muestra podría analizarse en un entorno líquido en lugar de secarse, cristalizarse o recubrirse para su examen. "Solo la RMN [de estado sólido] lo hace en el entorno químico ambiental", dice.

El método básico ha existido durante décadas, explica Griffin, e implica colocar un pequeño cilindro lleno del material que se va a estudiar en un campo magnético donde se puede suspender y hacer girar a altas frecuencias usando chorros de gas, generalmente nitrógeno, y luego eliminarlo. con pulsos de radiofrecuencia para determinar las propiedades clave del material. El término "ángulo mágico" se refiere al hecho de que si el cilindro que contiene la muestra gira en un ángulo preciso (54,74 grados) en relación con el campo magnético aplicado, se atenúan varias fuentes de ampliación de las líneas espectrales y se obtiene un espectro de resolución mucho mayor. es posible.

Pero la resolución de estos espectros está directamente limitada por la rapidez con la que pueden girar los diminutos cilindros o rotores antes de romperse. A lo largo de los años, las primeras versiones se fabricaron con varios plásticos, luego se usaron materiales cerámicos y, finalmente, zirconio, "que es el material preferido del que están hechos la mayoría de los rotores en estos días", dice Griffin.

Dichos sistemas MAS-NMR se utilizan ampliamente en la investigación bioquímica como una herramienta para estudiar la estructura molecular, hasta el nivel de los átomos individuales, de materiales que incluyen proteínas que son difíciles o imposibles de probar con otros métodos de laboratorio estándar. Estos incluyen no solo fibrillas de amiloide, sino también proteínas de membrana y algunos ensamblajes virales. Pero algunos de los desafíos más apremiantes tanto en biomedicina como en ciencia de materiales se encuentran fuera del alcance de la resolución de los sistemas MAS-NMR actuales.

"A medida que avanzamos hacia frecuencias de giro por encima de los 100 kilohercios", equivalente a 6 millones de revoluciones por minuto, dice Griffin, "estos rotores se han vuelto muy problemáticos. Fallan alrededor del 50 % de las veces, se pierde una muestra y se destruye el bobina de RMN". El equipo decidió abordar el problema, que muchos dijeron en ese momento que era imposible, de hacer los rotores con un diamante monocristalino.

Incluso la compañía que fabricaba el sistema láser que usaron pensó que no se podía hacer, y un equipo interdisciplinario, que involucró a estudiantes e investigadores tanto del Centro de Bits y Átomos del MIT como del Departamento de Química, necesitó años de trabajo para resolver esa fabricación. problema. (La colaboración surgió de Griffin y Gershenfeld sirviendo en el Comité del Premio Killian del MIT). Desarrollaron una especie de sistema de torno basado en láser que hace girar rápidamente una pieza de diamante mientras la golpea con el láser, esencialmente vaporizando sus capas externas hasta que queda un cilindro perfectamente liso, de solo 0,7 milímetros de ancho (alrededor de 1/36 de pulgada). Luego, se utiliza el mismo láser para perforar un orificio perfectamente centrado en el centro del cilindro, dejando una especie de forma de pajita.

"No es obvio que funcione", dice Gershenfeld, "pero el láser convierte el diamante en grafito y elimina el carbono, y puedes hacer eso gradualmente para perforar profundamente el diamante".

El diamante emerge del proceso de mecanizado con una capa negra de grafito puro, pero los investigadores del MIT descubrieron que esto podría eliminarse calentando el rotor durante la noche a aproximadamente 600 °C (alrededor de 1100 °F). El resultado es un rotor que ya puede gira a 6 millones de revoluciones por minuto, la velocidad de los mejores rotores de zirconia, y también tiene otras características ventajosas, que incluyen una conductividad térmica extremadamente alta y transparencia de radiofrecuencia.

Fredin señala que todas las piezas necesarias para hacer este sistema de mecanizado de alta precisión "fueron todas diseñadas y fabricadas aquí mismo" en un laboratorio subterráneo en el Centro de Bits y Átomos. "Poder diseñar y hacer todo físicamente e iterarlo muchas veces al día internamente fue un aspecto crucial de este proyecto, en lugar de tener que enviar las cosas a los talleres de máquinas externos".

Ahora debería ser posible lograr frecuencias de giro mucho más altas con estos nuevos rotores, dicen los investigadores, pero requerirá el desarrollo de nuevos cojinetes y nuevos sistemas basados ​​en helio en lugar de nitrógeno para impulsar la rotación, a fin de lograr mayores velocidades y el correspondiente salto de resolución. "Nunca valió la pena desarrollar estos cojinetes compatibles con helio para estos pequeños rotores hasta que se probó esta tecnología, cuando los rotores que se usaban anteriormente no podían soportar las velocidades de giro", que podrían llegar a los 20 millones revoluciones por minuto, dice Golota.

Tasas de rotación tan altas son casi desconocidas fuera del campo de la RMN. Preiss dice que, como ingeniero mecánico, "es raro que te encuentres con algo que gira a más de decenas de miles de rpm". Cuando escuchó por primera vez la cifra de 6 millones de rpm para estos dispositivos, dice: "Pensé que era una broma".

Debido a estas altas velocidades, dice Gershenfeld, las inestabilidades pueden surgir fácilmente de cualquier imperfección: "Si hay incluso una ligera asimetría en la estructura, en estas frecuencias, estás condenado".

Golota dice que en sus experimentos con rotores de zirconio actuales, "cuando los rotores fallan, explotan, y esencialmente solo recuperas polvo. Pero cuando fallan los rotores de diamante, pudimos recuperarlos intactos. Entonces, estás guardando la muestra también, que puede ser un recurso invaluable para el usuario".

Ya han utilizado el nuevo rotor de diamante para producir los espectros de carbono-13 y nitrógeno-15 de un péptido pequeño, lo que demuestra claramente las capacidades del nuevo material del rotor de diamante, que según Griffin es el primer material nuevo para tales rotores que se desarrollará en las últimas tres décadas. "Hemos utilizado espectros como estos ampliamente", dice, "para determinar la estructura de amiloide-beta 1-42, que es una especie tóxica en la enfermedad de Alzheimer".

Las muestras de dicho material son difíciles de obtener y, por lo general, solo se pueden obtener en pequeñas cantidades, dice. "Ahora tenemos un pequeño rotor que, con suerte, será muy confiable donde puede colocar dos o tres miligramos de material y obtener datos espectrales como estos", dice, señalando los datos de muestra que obtuvieron. "Es realmente emocionante y abrirá muchas nuevas áreas de investigación".

Este trabajo "es verdaderamente notable", dice David Doty, presidente de Doty Scientific, un fabricante de sistemas de RMN, que no participó en este trabajo. "Hubiera sido muy difícil encontrar a alguien fuera de este grupo que hubiera pensado que era posible mecanizar con láser rotores de diamante con la precisión necesaria para el MAS rápido, antes de verlo funcionar realmente", dice.

Doty agrega: "Lo que han demostrado hasta ahora... es increíble. Si se puede lograr el progreso adicional necesario, cientos de investigadores de NMR querrán que estos les ayuden a obtener mejores datos para los proyectos en los que están trabajando, desde mejorar nuestra comprensión de algunas enfermedades y el desarrollo de mejores medicamentos para el desarrollo de materiales de batería avanzados".

"Esta nueva tecnología tiene el potencial de cambiar las reglas del juego en la forma en que llevaremos a cabo experimentos de RMN de estado sólido en el futuro, abriendo oportunidades experimentales sin precedentes en términos de resolución y sensibilidad", dice Anne Lesage, directora adjunta del instituto. de ciencias analíticas en la Ecole Normale Supérieure en Lyon, Francia, quien tampoco estuvo asociado con este trabajo.

Más información: Natalie C. Golota et al, Diamond rotors, Journal of Magnetic Resonance (2023). DOI: 10.1016/j.jmr.2023.107475

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.