Nowy wymiar magnetycznego rezonansu jądrowego dzięki nowym technologiom
Podstawą każdej istniejącej substancji jest jej struktura molekularna. Badanie dynamiki materii w skali atomowej jest kluczem do zrozumienia właściwości materii i ich dostosowania. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu HIRES-MULTIDYN(odnośnik otworzy się w nowym oknie) badacze opracowali nowe urządzenia, metody i ramy teoretyczne w celu przyspieszenia badań naukowych, opracowywania leków i rozwoju materiałoznawstwa, przyczyniając się do rozwoju wielu dziedzin nauki.
Fundamenty magnetycznego rezonansu jądrowego
Magnetyczny rezonans jądrowy(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (NMR) jest wyjątkową techniką analityczną wykorzystywaną w celu badania struktury i oddziaływań cząsteczek. Służy do badania zachowania jąder atomowych pod wpływem silnego pola magnetycznego. Ta nieniszcząca technika analityczna jest wykorzystywana w chemii, biologii, medycynie, farmakologii, żywieniu i energetyce. Ze względu na to, że rezonans ten może być używany do badania dowolnego materiału, jego zastosowania są praktycznie nieograniczone. Najbardziej znanym spośród nich jest obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego. Urządzenia, które są instalowane w placówkach medycznych na całym świecie, generują szczegółowe obrazy narządów wewnętrznych i tkanek. Wykorzystują one potężne magnesy, silniejsze niemal 30 000 razy od ziemskiego pola magnetycznego, aby wywołać reakcje jąder atomowych, które są następnie przekładane na obrazy diagnostyczne.
Ultraszybka relaksometria wysokiej rozdzielczości
Pomimo możliwości jądrowego rezonansu magnetycznego, ilość danych na temat wieloskalowej dynamiki złożonych układów uzyskiwanych za jego pomocą jest ograniczona. Relaksacja to proces, w którym spiny jądrowe powracają do stanu równowagi pod wpływem pola magnetycznego. Pomiar szybkości relaksacji pozwala pośrednio badać ruchy cząsteczek, jednak ze względu na fakt, że relaksacja jest wrażliwa na ruchy w skalach czasowych odwrotnie proporcjonalnych do pola magnetycznego, badanie wolniejszych ruchów wymaga pomiaru relaksacji w warunkach słabszych pół magnetycznych - to stanowi z kolei przeszkodę utrudniającą wykorzystania czułego rezonansu jądrowego o wysokiej rozdzielczości. Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół projektu HIRES-MULTIDYN zgromadził czołowych ekspertów w dziedzinie rezonansu jądrowego, rozwoju instrumentów i teoretycznych podstaw dynamiki molekularnej. Rozwiązanie opracowane przez konsorcjum nosi nazwę ultraszybkiej relaksometrii wysokiej rozdzielczości (UHRR). To przełomowa technologia, która pozwala badać dynamikę złożonych układów w skalach czasowych od pikosekund do mikrosekund. Rozwiązanie wymagało zapewnienia wyjątkowych warunków w bardzo kontrolowanym układzie. Jak wyjaśnia Fabien Ferrage, koordynator projektu: „Aby zaprojektować nasz prototyp, musieliśmy przenieść próbkę z prędkością 100 kilometrów na godzinę, w wysoce kontrolowanych warunkach. Musimy również dodać serię magnesów tuż nad silnym magnesem wykorzystywanym na potrzeby rezonansu, w tym magnes zdolny do zmiany pola nawet 10 000 razy w ciągu jednej milisekundy”.
Nowe badania i rozwiązania
Zespół projektu HIRES-MULTIDYN musiał stawić czoła wielu wyzwaniom w ramach prac mających na celu opracowanie urządzeń, metod i ram teoretycznych wspierających rozwiązanie, ale wspólne wysiłki zaowocowały sukcesem dzięki zaangażowaniu wszystkich partnerów. Prototyp rozwiązania wykorzystującego technologię UHRR został zweryfikowany w ramach wielu badań słuszności koncepcji, które polegały na analizie złożonych układów, w tym białek, płynnej żywności(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i płynów ustrojowych. W przyszłości nowe rozwiązanie znajdzie wiele innych zastosowań. „Wykorzystaliśmy prototyp w celu badania ruchów w wielu układach, między innymi w celu ilościowego określenia ruchów ważnych dla wiązania leku w kinazie białkowej, a także określenia sposobu wiązania małej cząsteczki z celem leku, badania ruchów w płynnej żywności (na przykład oliwie z oliwek) oraz w cieczach jonowych, które mogą być stosowane w akumulatorach”, wyjaśnia Ferrage. Wyniki badań są obiecujące. Dzięki nowym ramom koncepcyjnym, metodom i instrumentom opracowanym przez światowych liderów w dziedzinie spektroskopii wykorzystującej jądrowy rezonans magnetyczny, technologia UHRR może stanowić przełom w naukach chemicznych, biologicznych i materiałoznawstwie.
