I progressi tecnologici danno una nuova spinta alla risonanza magnetica nucleare
Il fondamento di ogni sostanza concepibile è la sua struttura molecolare. L’identificazione della dinamica della materia su scala atomica è necessaria per comprendere e migliorare le proprietà della materia. Il progetto HIRES-MULTIDYN(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha sviluppato nuovi strumenti, metodi e quadri teorici per far progredire la ricerca scientifica, lo sviluppo di farmaci e le applicazioni della scienza dei materiali in diversi campi.
Alcuni aspetti essenziali della risonanza magnetica nucleare
Una potente tecnica analitica, la risonanza magnetica nucleare (RMN)(si apre in una nuova finestra), viene utilizzata per esaminare la struttura e l’interazione delle molecole. La RMN si basa sul comportamento dei nuclei atomici quando vengono esposti a un forte campo magnetico. Questa tecnica non distruttiva trova applicazione in chimica, biologia, medicina, farmacologia, nutrizione ed energia. Infatti, poiché la RMN può essere utilizzata per esaminare qualsiasi materiale, le sue applicazioni sono virtualmente illimitate. L’applicazione più nota della RMN è la risonanza magnetica (RM). Le macchine per la risonanza magnetica, presenti nelle strutture mediche di tutto il mondo, producono immagini dettagliate di organi e tessuti interni. Utilizzano potenti magneti, circa 30 000 volte più forti del campo magnetico terrestre, per suscitare risposte dai nuclei atomici che vengono poi tradotte in immagini diagnostiche.
Introduzione alla rilassometria ultraveloce ad alta risoluzione
Per quanto potente, la RMN fornisce informazioni limitate sulla dinamica multiscala dei sistemi complessi. Il rilassamento è il processo attraverso il quale gli spin nucleari influenzati dal campo magnetico tornano all’equilibrio. La misurazione dei tassi di rilassamento fornisce un accesso indiretto ai moti molecolari, ma poiché il rilassamento è sensibile ai moti su scale di tempo inversamente proporzionali al campo magnetico, l’accesso ai moti più lenti richiede la misurazione del rilassamento a campi magnetici più bassi, il che è incompatibile con la RMN sensibile ad alta risoluzione. Per affrontare questa sfida, HIRES-MULTIDYN ha riunito un team di esperti leader nei metodi RMN, nello sviluppo di strumenti e nelle basi teoriche della dinamica molecolare. La soluzione del progetto si chiama rilassometria ultrarapida ad alta risoluzione (UHRR). Si tratta di una tecnologia innovativa, in grado di determinare la dinamica di sistemi complessi su scale temporali che vanno dai picosecondi ai microsecondi. La soluzione del progetto richiedeva condizioni eccezionali in un sistema molto controllato. Come dice il coordinatore del progetto Fabien Ferrage: «Per progettare il nostro prototipo, dovevamo spostare un campione molto velocemente, a 100 km all’ora, in un ambiente altamente controllato. Dobbiamo anche aggiungere una serie di altri magneti proprio sopra il magnete forte per la RMN ad alto campo, compreso un magnete in grado di cambiare il suo campo fino a un fattore 10 000 in circa 1 millisecondo».
Apertura di nuove strade per la ricerca e le applicazioni
Ci sono state molte sfide lungo il percorso di sviluppo degli strumenti, dei metodi e del quadro teorico che supportano la soluzione HIRES-MULTIDYN, ma gli sforzi del team di progetto hanno avuto successo grazie alla dedizione di tutti i partner. Il prototipo UHRR è stato testato in una serie di applicazioni a dimostrazione del concetto su sistemi complessi, tra cui proteine, alimenti liquidi(si apre in una nuova finestra) e fluidi corporei. Le applicazioni future di questa innovazione tecnologica sono di vasta portata. «Abbiamo utilizzato questo prototipo per determinare i moti in una serie di sistemi: per quantificare i moti importanti per il legame con i farmaci in una proteina chinasi, per identificare il modo in cui una piccola molecola si lega a un bersaglio farmacologico, per comprendere i moti in alimenti liquidi come l’olio d’oliva e nei liquidi ionici che possono essere utilizzati nelle batterie», spiega il ricercatore. I risultati sono promettenti. Grazie ai nuovi quadri concettuali, ai metodi e agli strumenti sviluppati dai leader mondiali nel campo della spettroscopia RMN, la UHRR è pronta a introdurre un nuovo livello di comprensione nella scienza chimica, biologica e dei materiali.
