(PhysOrg.com) - Imagem por ressonância magnética, desenvolvido pela primeira vez no início dos anos 1970, tornou-se uma ferramenta de diagnóstico padrão para câncer, doenças cardiovasculares e distúrbios neurológicos, entre outros. A ressonância magnética é ideal para imagens médicas porque oferece uma visão tridimensional incomparável do interior do tecido vivo sem danificá-lo. Contudo, seu uso em estudos científicos tem sido limitado porque ele não consegue visualizar nada menor do que vários micrômetros cúbicos.

Agora os cientistas estão combinando a capacidade 3-D da ressonância magnética com a precisão de uma técnica chamada microscopia de força atômica. Esta combinação permite a visualização 3D de espécimes minúsculos, como vírus, células e potencialmente estruturas dentro das células - uma melhoria de 100 milhões de vezes em relação à ressonância magnética usada em hospitais.

Ano passado, Christian Degen, Professor assistente de química do MIT, e colegas do IBM Almaden Research Center, onde Degen trabalhou como associado de pós-doutorado antes de vir para o MIT, usou essa estratégia para construir o primeiro dispositivo de ressonância magnética que pode capturar imagens 3-D de vírus. Fim-de-semana passado, seu artigo relatando a capacidade de obter uma imagem de ressonância magnética de um vírus do mosaico do tabaco foi premiado com o Prêmio Cozzarelli de 2009 pela Academia Nacional de Ciências, pela excelência científica e originalidade na categoria de engenharia e ciências aplicadas.

“É de longe a técnica de imagem de ressonância magnética mais sensível que foi demonstrada, ”Diz Raffi Budakian, professor assistente de física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, que não fazia parte da equipe de pesquisa.

O uso de ressonância magnética em nanoescala para revelar as formas 3-D de moléculas biológicas oferece uma melhoria significativa em relação à cristalografia de raios-X, que foi a chave para descobrir a estrutura de dupla hélice do DNA, mas não é adequada para proteínas porque são difíceis de cristalizar, diz Budakian. “Não há realmente nenhuma outra técnica que pode ir molécula por molécula e determinar a estrutura, " ele diz. Descobrir essas estruturas pode ajudar os cientistas a aprender mais sobre as doenças causadas por proteínas malformadas e a identificar melhores alvos para os medicamentos.

Esta animação mostra como a microscopia de ressonância de força magnética captura imagens de amostras minúsculas, como vírus. Simulação de computador:Christian Degen

Melhorando na ressonância magnética

A ressonância magnética tradicional aproveita os sinais magnéticos muito fracos emitidos pelos núcleos de hidrogênio na amostra que está sendo visualizada. Quando um poderoso campo magnético é aplicado ao tecido, os spins magnéticos dos núcleos se alinham, gerar um sinal forte o suficiente para ser detectado por uma antena. Contudo, os spins magnéticos são tão fracos que um grande número de átomos (geralmente mais de um trilhão) é necessário para gerar uma imagem, e a melhor resolução possível é de cerca de três milionésimos de metro (cerca de metade do diâmetro de um glóbulo vermelho).

Em 1991, o físico teórico John Sidles propôs pela primeira vez a ideia de combinar a ressonância magnética com a microscopia de força atômica para criar imagens de minúsculas estruturas biológicas. Os físicos da IBM construíram o primeiro microscópio com base nessa abordagem, apelidada de microscopia de força de ressonância magnética (MRFM), em 1993.

Desde então, pesquisadores, incluindo Degen e seus colegas da IBM, aprimoraram a técnica a ponto de poder produzir imagens 3-D com resolução de cinco a 10 nanômetros, ou bilionésimos de um metro. (Um cabelo humano tem cerca de 80 anos, 000 nanômetros de espessura.)

Com MRFM, a amostra a ser examinada é fixada na extremidade de um minúsculo cantilever de silício (cerca de 100 milionésimos de um metro de comprimento e 100 bilionésimos de um metro de largura). Conforme uma ponta magnética de ferro-cobalto se move perto da amostra, os spins nucleares dos átomos são atraídos por ele e geram uma pequena força no cantilever. Os spins são então repetidamente invertidos, fazendo com que o cantilever balance suavemente para frente e para trás em um movimento síncrono. Esse deslocamento é medido com um feixe de laser para criar uma série de imagens 2-D da amostra, que são combinados para gerar uma imagem 3-D.

A resolução MRFM é quase tão boa (dentro de um fator de 10) da resolução da microscopia eletrônica, a técnica de imagem mais sensível que os biólogos usam hoje. Contudo, ao contrário da microscopia eletrônica, O MRFM pode criar imagens de amostras delicadas, como vírus e células, sem danificá-los.

Novos alvos

Degen, que se interessou em buscar novas técnicas de ressonância magnética depois de ver uma demonstração de microscópio eletrônico na faculdade, diz que seu trabalho pode ajudar biólogos estruturais a descobrir novos alvos de drogas para vírus.

“Normalmente, se você quiser descobrir como as coisas funcionam, você tem que encontrar a estrutura. Caso contrário, você não sabe como projetar drogas, " ele diz. “Você está operando em um ponto cego.”

O estudante de graduação e pós-graduação em química Ye Tao estão agora construindo um microscópio MRFM no porão do Edifício 2. do MIT. Quando concluído, o microscópio será um dos poucos desse tipo no mundo. A maioria das peças está no lugar e funcionando, mas Degen e Tao ainda precisam obter a unidade de refrigeração que resfriará o sistema até um pouco acima do zero absoluto. O sistema deve ser resfriado a 50 milikelvins para minimizar as vibrações térmicas, que interferem com o sinal de deslocamento induzido por ímã do cantilever.

Degen espera receber a unidade de refrigeração no final de maio ou início de junho, mas o envio pode ser atrasado por uma falta contínua de isótopos de hélio, que são necessários para atingir o resfriamento necessário. Se tudo correr de acordo com o planejado, o microscópio pode estar gerando imagens até o final deste ano.

Degen e dois de seus alunos também estão buscando outra nova abordagem para ressonância magnética em nanoescala. Esta abordagem usa fluorescência em vez de magnetismo para amostras de imagem. Seu novo microscópio substitui a ponta magnética por um diamante que apresenta um defeito em sua estrutura cristalina. O defeito, conhecido como defeito de vacância de nitrogênio, funciona como um sensor porque sua intensidade de fluorescência é alterada por interações com spins magnéticos. Esta configuração não precisa ser resfriada, para que as amostras possam ser visualizadas em temperatura ambiente.