Em ciência, muitos dos eventos mais interessantes ocorrem em uma escala muito menor do que o olho humano pode ver. Os pesquisadores médicos podem realizar uma série de avanços se pudessem olhar profundamente dentro das células biológicas vivas, mas os métodos existentes de imagem não têm a sensibilidade e resolução desejadas ou exigem condições que levam à morte celular, como temperaturas criogênicas. Recentemente, Contudo, uma equipe de pesquisadores liderados pela Universidade de Harvard trabalhando no programa Quantum-Assisted Sensing and Readout (QuASAR) da DARPA demonstrou imagens de estruturas magnéticas dentro de células vivas. Usando equipamentos operados em temperatura e pressão ambiente, a equipe foi capaz de exibir detalhes de até 400 nanômetros, que tem aproximadamente o tamanho de dois vírus do sarampo. Para ter uma noção de escala, consulte:learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/.

A técnica da equipe Harvard QuASAR é descrita em um Natureza artigo intitulado "Imagem magnética óptica de células vivas". Essencialmente, os pesquisadores usaram imperfeições no diamante conhecidas como centros de cores com vacância de nitrogênio (NV) para funcionar como sondas de alta precisão dos campos magnéticos produzidos por bactérias magnetotáticas vivas - organismos que contêm nanopartículas magnéticas. Usando uma matriz desses centros de cores NV projetados em pontos específicos e densidade dentro de um chip de diamante, os pesquisadores conseguiram localizar as estruturas magnéticas de cada bactéria e construir imagens dos campos magnéticos que elas produziram.

As descobertas da equipe têm várias aplicações potenciais e podem levar a áreas adicionais de estudo:

• Em princípio, esta técnica permitiria detalhes, observação em tempo real de processos celulares internos, como morte celular, evolução e divisão, e como as células são afetadas por doenças.
• As medições dos pesquisadores são diretamente aplicáveis ​​ao estudo da formação de nanopartículas magnéticas em outros organismos, que é de interesse para aumento de contraste em imagens de ressonância magnética (MRI), e tem sido associada a distúrbios neurodegenerativos.
• A formação de nanopartículas magnéticas tem sido proposta como um mecanismo de navegação magnética em organismos superiores.

Em um desenvolvimento relacionado, duas equipes separadas de pesquisadores QuASAR, liderado pela Universidade de Stuttgart na Alemanha e o Centro de Pesquisa Almaden da IBM, desenvolveu um magnetômetro em escala nanométrica que permite imagens de ressonância magnética (MRI) com resolução suficiente para medir até 10, 000 prótons em um volume de apenas 125 nanômetros cúbicos, que se aproxima do nível de moléculas de proteína individuais. Tecnologias anteriores de ressonância magnética, mesmo quando esticado até seus limites, não permitiram resolução além de alguns micrômetros devido a fatores de distorção, como ruído magnético de fundo. A nova técnica das equipes QuASAR, apelidado de nano-ressonância magnética, supera essa limitação usando um único centro de cor NV embutido perto da superfície de um chip de diamante para medir os sinais de ressonância magnética nuclear. Ele pode ser usado para medir o campo magnético em um único ponto de uma estrutura, ou escaneie a superfície para criar uma imagem da estrutura medindo vários pontos. O trabalho é descrito em dois artigos no dia 1º de fevereiro, Edição de 2013 de Ciência :"Nanoscale Nuclear Magnetic Resonance with a Nitrogen-Vacancy Spin Sensor" e "www.sciencemag.org/content/339/6119/561"> Espectroscopia de ressonância magnética nuclear em um (5 nanômetros) ³ Volume de amostra. "

A tecnologia de nano-ressonância magnética oferece o benefício adicional de trabalhar em temperatura ambiente, eliminando a necessidade de equipamentos criogênicos caros. Por outro lado, A ressonância magnética tradicional usa maquinário volumoso que freqüentemente requer resfriamento criogênico.

A Universidade de Stuttgart e o trabalho da IBM no QuASAR podem oferecer uma gama de benefícios e recursos médicos futuros:

• Apoie o desenvolvimento futuro de medicamentos, facilitando uma maior compreensão da estrutura das proteínas.
• Habilite detalhado, mapeamento tridimensional de moléculas biológicas, com sensibilidade suficiente para identificar elementos específicos. Esta informação pode agilizar a avaliação de drogas inibidoras contra vírus de ocorrência natural e de bioengenharia.
• Habilite a medição do campo magnético dos neurônios em disparo.

"Na QuASAR, estamos construindo sensores que capitalizam a extrema precisão e controle da física atômica. Esperamos que essas novas ferramentas de medição possam fornecer novos recursos para as comunidades científicas e operacionais mais amplas, "disse Jamil Abo-Shaeer, Gerente do programa DARPA. "O trabalho que essas equipes estão fazendo para aplicar a medição assistida por quantum para imagens biológicas pode beneficiar os esforços do DoD para desenvolver drogas e terapias especializadas, e, potencialmente, apoiar o trabalho da DARPA para entender melhor como o cérebro humano funciona. "

Todos os três esforços foram conduzidos como pesquisa básica. Trabalhos futuros podem incluir tentativas de:aumentar a sensibilidade dos dispositivos de medição movendo-os ainda mais perto dos organismos a serem medidos; incorporar nano-diamantes com centros NV em células vivas para estudos in vitro para medir campos magnéticos e temperatura; e permitir a imagem de campo magnético assistida por NV de biomoléculas marcadas.