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Jul 13, 2023

Nova maneira de usinar pequenos rotores de diamante pode melhorar os estudos de proteínas

24 de maio de 2023 Este artigo

24 de maio de 2023

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por David L. Chandler, Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Muitos dos materiais biológicos que os pesquisadores estão mais interessados ​​em estudar, incluindo aqueles associados às principais doenças, não se prestam aos métodos convencionais que os pesquisadores normalmente usam para sondar a estrutura e a química de um material.

Uma técnica, chamada ressonância magnética nuclear de rotação de ângulo mágico, ou MAS-NMR, provou ser altamente bem-sucedida como forma de determinar as propriedades de moléculas complexas, como algumas proteínas. Mas a resolução alcançável com tais sistemas depende da frequência de giro de rotores minúsculos, e esses sistemas esbarraram nos limites impostos pelos materiais do rotor.

A maioria desses dispositivos usados ​​hoje depende de rotores feitos de zircônia estabilizada com ítria, que são tão finos quanto um alfinete. Esses rotores se desintegram se girados muito mais rápido do que alguns milhões de revoluções por minuto, limitando os materiais que podem ser estudados com esses sistemas. Mas agora, os pesquisadores do MIT desenvolveram um método para fazer esses rotores minúsculos e precisos de puro cristal de diamante, cuja força muito maior poderia permitir que ele girasse em frequências muito mais altas. O avanço abre as portas para o estudo de uma ampla variedade de moléculas importantes, incluindo aquelas encontradas nas placas amiloides associadas ao mal de Alzheimer.

O novo método é descrito no Journal of Magnetic Resonance, em um artigo dos alunos de pós-graduação do MIT Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks e David Preiss; os professores Robert Griffin, Neil Gershenfeld e Keith Nelson; e sete outros no MIT.

A técnica MAS-NMR, diz Gershenfeld, "é a ferramenta de escolha para [analisar] proteínas biológicas complexas em ambientes biologicamente significativos". Por exemplo, uma amostra pode ser analisada em um ambiente líquido em vez de ser seca, cristalizada ou revestida para exame. "Apenas [estado sólido] NMR faz isso no ambiente químico ambiente", diz ele.

O método básico existe há décadas, explica Griffin, e envolve a colocação de um minúsculo cilindro preenchido com o material a ser estudado em um campo magnético onde pode ser suspenso e girado em altas frequências usando jatos de gás, geralmente nitrogênio, e depois eletrocutado. com pulsos de radiofrequência para determinar as principais propriedades do material. O termo "ângulo mágico" refere-se ao fato de que se o cilindro contendo a amostra girar em um ângulo preciso (54,74 graus) em relação ao campo magnético aplicado, várias fontes de alargamento das linhas espectrais são atenuadas e um espectro de resolução muito maior é possível.

Mas a resolução desses espectros é diretamente limitada pela rapidez com que os minúsculos cilindros, ou rotores, podem girar antes de quebrar. Ao longo dos anos, as primeiras versões foram feitas de vários plásticos, depois foram usados ​​materiais cerâmicos e, finalmente, zircônio, "que é o material de escolha da maioria dos rotores hoje em dia", diz Griffin.

Esses sistemas MAS-NMR são amplamente utilizados em pesquisas bioquímicas como uma ferramenta para estudar a estrutura molecular, até o nível de átomos individuais, de materiais, incluindo proteínas que são difíceis ou impossíveis de sondar usando outros métodos laboratoriais padrão. Estes incluem não apenas fibrilas amiloides, mas proteínas de membrana e alguns conjuntos virais. Mas alguns dos desafios mais prementes tanto na ciência biomédica quanto na ciência dos materiais estão além do alcance da resolução dos sistemas MAS-NMR atuais.

"Conforme progredimos para frequências giratórias acima de 100 quilohertz", equivalente a 6 milhões de revoluções por minuto, diz Griffin, "esses rotores se tornaram muito problemáticos. Eles falham cerca de 50% do tempo - e você perde uma amostra e destrói o Bobina de RMN." A equipe decidiu enfrentar o problema, que muitos diziam ser impossível na época, de fazer os rotores de diamante monocristal.