Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma maneira de aumentar drasticamente a sensibilidade da espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), uma técnica usada para estudar a estrutura e composição de muitos tipos de moléculas, incluindo proteínas ligadas ao Alzheimer e outras doenças.

Usando este novo método, os cientistas devem ser capazes de analisar em poucos minutos estruturas que antes levariam anos para decifrar, diz Robert Griffin, o professor de química Arthur Amos Noyes. A nova abordagem, que depende de pulsos curtos de energia de micro-ondas, poderia permitir aos pesquisadores determinar estruturas para muitas proteínas complexas que têm sido difíceis de estudar até agora.

“Esta técnica deve abrir extensas novas áreas da química, biológico, materiais, e ciências médicas que são atualmente inacessíveis, "diz Griffin, o autor sênior do estudo.

O pós-doutorado do MIT Kong Ooi Tan é o autor principal do artigo, que aparece em Ciências Avanços em 18 de janeiro. O ex-pós-doutorado do MIT Chen Yang e Guinevere Mathies, e Ralph Weber da Bruker BioSpin Corporation, também são autores do artigo.

Sensibilidade aprimorada

A RMN tradicional usa as propriedades magnéticas dos núcleos atômicos para revelar as estruturas das moléculas que contêm esses núcleos. Ao usar um forte campo magnético que interage com os spins nucleares de hidrogênio e outros átomos marcados isotopicamente, como carbono ou nitrogênio, NMR mede uma característica conhecida como mudança química para esses núcleos. Essas mudanças são únicas para cada átomo e, portanto, servem como impressões digitais, que pode ser explorado posteriormente para revelar como esses átomos estão conectados.

A sensibilidade do NMR depende da polarização dos átomos - uma medida da diferença entre a população de spins nucleares "para cima" e "para baixo" em cada conjunto de spin. Quanto maior a polarização, a maior sensibilidade que pode ser alcançada. Tipicamente, pesquisadores tentam aumentar a polarização de suas amostras aplicando um campo magnético mais forte, até 35 tesla.

Outra abordagem, que Griffin e Richard Temkin do Plasma Science and Fusion Center do MIT têm desenvolvido nos últimos 25 anos, aumenta ainda mais a polarização usando uma técnica chamada polarização nuclear dinâmica (DNP). Esta técnica envolve a transferência de polarização dos elétrons desemparelhados dos radicais livres para o hidrogênio, carbono, azoto, ou núcleos de fósforo na amostra em estudo. Isso aumenta a polarização e torna mais fácil descobrir as características estruturais da molécula.

DNP é geralmente realizado por irradiação contínua da amostra com microondas de alta frequência, usando um instrumento chamado girotron. Isso melhora a sensibilidade de NMR em cerca de 100 vezes. Contudo, este método requer uma grande quantidade de energia e não funciona bem em campos magnéticos mais altos que poderiam oferecer melhorias de resolução ainda maiores.

Para superar esse problema, a equipe do MIT descobriu uma maneira de fornecer pulsos curtos de radiação de micro-ondas, em vez de exposição contínua ao microondas. Ao entregar esses pulsos em uma frequência específica, eles foram capazes de aumentar a polarização por um fator de até 200. Isso é semelhante à melhoria alcançada com o DNP tradicional, mas requer apenas 7 por cento da energia, e ao contrário do DNP tradicional, pode ser implementado em campos magnéticos superiores.

“Podemos transferir a polarização de uma forma muito eficiente, através do uso eficiente de irradiação de microondas, "Tan diz." Com a irradiação de onda contínua, você acabou de explodir a potência do micro-ondas, e você não tem controle sobre as fases ou a duração do pulso. "

Economizando tempo

Com esta melhora na sensibilidade, amostras que anteriormente levariam quase 110 anos para serem analisadas poderiam ser estudadas em um único dia, dizem os pesquisadores. No Ciências Avanços papel, eles demonstraram a técnica usando-a para analisar moléculas de teste padrão, como uma mistura de glicerol-água, mas agora planejam usá-lo em moléculas mais complexas.

Uma das principais áreas de interesse é a proteína beta amilóide que se acumula no cérebro de pacientes com Alzheimer. Os pesquisadores também planejam estudar uma variedade de proteínas ligadas à membrana, como canais iônicos e rodopsinas, que são proteínas sensíveis à luz encontradas nas membranas bacterianas, bem como na retina humana. Porque a sensibilidade é tão grande, este método pode produzir dados úteis de um tamanho de amostra muito menor, o que poderia facilitar o estudo de proteínas difíceis de obter em grandes quantidades.

O estudo é publicado em Avanços da Ciência .