Scanners de ressonância magnética nuclear, como são familiares em hospitais, agora são extremamente sensíveis. Um sensor quântico desenvolvido por uma equipe chefiada pelo Professor Jörg Wrachtrup da Universidade de Stuttgart e pesquisadores do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido em Stuttgart, agora torna possível usar a varredura de ressonância magnética nuclear para até mesmo investigar a estrutura de proteínas individuais átomo por átomo. No futuro, o método pode ajudar a diagnosticar doenças em um estágio inicial, detectando as primeiras proteínas defeituosas.

Muitas doenças têm origem em proteínas defeituosas. Como as proteínas são motores bioquímicos importantes, defeitos podem levar a distúrbios no metabolismo. Príons defeituosos, que causam danos cerebrais na BSE e na doença de Creutzfeldt-Jakob, são um exemplo. Os príons alterados patologicamente têm defeitos em sua estrutura molecular complexa. O problema:proteínas individuais defeituosas podem igualmente induzir defeitos em proteínas intactas vizinhas por meio de uma espécie de efeito dominó e, assim, desencadear uma doença. Portanto, seria muito útil se os médicos pudessem detectar o primeiro, ainda príons individuais com a estrutura errada. Tem, Contudo, não foi possível elucidar a estrutura de uma biomolécula individual.

Em um artigo publicado em Ciência , uma equipe de pesquisadores de Stuttgart apresentou agora um método que pode ser usado no futuro para a investigação confiável de biomoléculas individuais. Isso é importante não só para combater doenças, mas também para pesquisa básica química e bioquímica.

O método envolve a miniaturização, por assim dizer, da tomografia de ressonância magnética nuclear (NMR) conhecida da engenharia médica, que geralmente é chamado de varredura de ressonância magnética na área médica. NMR faz uso de uma propriedade especial dos átomos - seu spin. Em termos simples, spin pode ser pensado como a rotação de núcleos atômicos e elétrons em torno de seu próprio eixo, transformando as partículas em minúsculas, ímãs em barra giratória. O comportamento desses ímãs é característico de cada tipo de átomo e de cada elemento químico. Cada partícula, portanto, oscila com uma frequência específica.

Em aplicações médicas, é normal que apenas um tipo de átomo seja detectado no corpo - hidrogênio, por exemplo. O conteúdo de hidrogênio nos diferentes tecidos permite que o interior do corpo seja distinguido com o auxílio de vários contrastes.

Resolução estrutural no nível atômico

Ao elucidar a estrutura das biomoléculas, por outro lado, cada átomo individual deve ser determinado e a estrutura da biomolécula então decifrada peça por peça. O aspecto crucial aqui é que os detectores de NMR são tão pequenos que alcançam resolução em escala nanométrica e são tão sensíveis que podem medir moléculas individuais com exatidão. Há mais de quatro anos, os pesquisadores que trabalharam com Jörg Wrachtrup projetaram pela primeira vez um sensor de RMN tão pequeno; não fez, Contudo, permitem-lhes distinguir entre átomos individuais.

Para alcançar a resolução de nível atômico, os pesquisadores devem ser capazes de distinguir entre os sinais de frequência que recebem dos átomos individuais de uma molécula - da mesma forma que um rádio identifica uma estação de rádio por meio de sua frequência característica. As frequências dos sinais emitidos pelos átomos de uma proteína são aquelas frequências nas quais os ímãs de barras atômicas na proteína giram. Essas frequências são muito próximas, como se todas as frequências de transmissão das estações de rádio tentassem se espremer em uma largura de banda muito estreita. Esta é a primeira vez que os pesquisadores em Stuttgart alcançaram uma resolução de frequência na qual eles podem distinguir tipos individuais de átomos.

"Desenvolvemos o primeiro sensor quântico que pode detectar as frequências de diferentes átomos com precisão suficiente e, assim, resolver uma molécula quase em seus átomos individuais, "diz Jörg Wrachtrup. Assim, agora é possível digitalizar uma grande biomolécula, por assim dizer. O sensor, que atua como uma antena NMR de minuto, é um diamante com um átomo de nitrogênio embutido em sua rede de carbono próximo à superfície do cristal. Os físicos chamam o local do átomo de nitrogênio de centro NV:N para nitrogênio e V para vacância, que se refere a um elétron ausente na estrutura do diamante diretamente adjacente ao átomo de nitrogênio. Tal centro NV detecta o spin nuclear dos átomos localizados próximo a este centro NV.

Simples mas muito preciso

A frequência de rotação do momento magnético de um átomo que acabou de ser medido é transferida para o momento magnético no centro NV, que pode ser visto com um microscópio óptico especial como uma mudança na cor.

O sensor quântico atinge essa alta sensibilidade, pois pode armazenar sinais de frequência de um átomo. Uma única medição da frequência de um átomo seria muito fraca para o sensor quântico e possivelmente muito barulhenta. A memória permite que o sensor armazene muitos sinais de frequência por um longo período de tempo, Contudo, e, assim, sintonizar-se com muita precisão na frequência de oscilação de um átomo - da mesma forma que um receptor de ondas curtas de alta qualidade pode identificar claramente os canais de rádio que estão muito próximos uns dos outros.

Essa tecnologia tem outras vantagens além da alta resolução:opera em temperatura ambiente e, ao contrário de outros métodos de RMN de alta sensibilidade usados ​​em pesquisas bioquímicas, não requer vácuo. Além disso, esses outros métodos geralmente operam perto do zero absoluto - menos 273,16 graus Celsius - necessitando de um resfriamento complexo com hélio.

Futuro campo de aplicação:pesquisa do cérebro

Jörg Wrachtrup vê não um, mas vários campos de aplicação futuros para seus sensores quânticos de alta resolução. "É concebível que, no futuro, será possível detectar proteínas individuais que sofreram uma alteração perceptível na fase inicial de uma doença e que até agora foram esquecidas. "Além disso, Wrachtrup está colaborando com uma empresa industrial em um sensor quântico um pouco maior que poderá ser usado no futuro para detectar os fracos campos magnéticos do cérebro. “Chamamos esse sensor de leitor de cérebro. Esperamos que nos ajude a decifrar o funcionamento do cérebro - e que seja um bom complemento aos aparelhos elétricos convencionais derivados do EEG” - o eletroencefalograma. Para o leitor de cérebros, Wrachtrup já está trabalhando com seu parceiro industrial em um suporte e uma caixa para que o dispositivo seja fácil de usar e operar no dia a dia. Para chegar a este ponto, Contudo, vai demorar pelo menos mais dez anos de pesquisa.