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Jul 13, 2023

Pequeno rotor de diamante pode melhorar os estudos de proteínas

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Muitos dos materiais biológicos que os investigadores estão mais interessados ​​em estudar, incluindo aqueles associados a doenças graves, não se prestam aos métodos convencionais que os investigadores normalmente usam para investigar a estrutura e a química de um material.

Uma técnica, chamada ressonância magnética nuclear com rotação de ângulo mágico, ou MAS-NMR, provou ser altamente bem-sucedida como forma de determinar as propriedades de moléculas complexas, como algumas proteínas. Mas a resolução alcançável com tais sistemas depende da frequência de rotação de pequenos rotores, e estes sistemas esbarraram nos limites impostos pelos materiais do rotor.

A maioria desses dispositivos usados ​​hoje depende de rotores feitos de zircônia estabilizada com ítria, que são tão finos quanto um alfinete. Esses rotores desmoronam se girados muito mais rápido do que alguns milhões de rotações por minuto, limitando os materiais que podem ser estudados com tais sistemas. Mas agora, investigadores do MIT desenvolveram um método para fabricar estes rotores minúsculos e precisos a partir de cristal de diamante puro, cuja força muito maior poderia permitir-lhe girar a frequências muito mais elevadas. O avanço abre a porta para o estudo de uma ampla variedade de moléculas importantes, incluindo aquelas encontradas nas placas amilóides associadas à doença de Alzheimer.

O novo método é descrito no Journal of Magnetic Resonance, em um artigo dos estudantes de pós-graduação do MIT Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks e David Preiss; professores Robert Griffin, Neil Gershenfeld e Keith Nelson; e sete outros no MIT.

A técnica MAS-NMR, diz Gershenfeld, “é a ferramenta preferida para [analisar] proteínas biológicas complexas em ambientes biologicamente significativos”. Por exemplo, uma amostra pode ser analisada num ambiente líquido em vez de ser seca, cristalizada ou revestida para exame. “Somente a RMN [de estado sólido] faz isso no ambiente químico ambiente”, diz ele.

O método básico existe há décadas, explica Griffin, e envolve colocar um pequeno cilindro preenchido com o material a ser estudado em um campo magnético onde ele pode ser suspenso e girado em altas frequências usando jatos de gás, geralmente nitrogênio, e depois eletrocutado. com pulsos de radiofrequência para determinar as principais propriedades do material. O termo “ângulo mágico” refere-se ao fato de que se o cilindro contendo a amostra girar em um ângulo preciso (54,74 graus) em relação ao campo magnético aplicado, várias fontes de alargamento das linhas espectrais são atenuadas e um espectro de resolução muito mais alta é possível.

Mas a resolução destes espectros é diretamente limitada pela rapidez com que os minúsculos cilindros, ou rotores, podem girar antes de se partirem. Ao longo dos anos, as primeiras versões foram feitas de vários plásticos, depois foram usados ​​materiais cerâmicos e, finalmente, zircônio, “que é o material preferido com o qual a maioria dos rotores é feita atualmente”, diz Griffin.

Esses sistemas MAS-NMR são amplamente utilizados em pesquisas bioquímicas como uma ferramenta para estudar a estrutura molecular, até o nível de átomos individuais, de materiais, incluindo proteínas que são difíceis ou impossíveis de sondar usando outros métodos laboratoriais padrão. Estes incluem não apenas fibrilas amilóides, mas também proteínas de membrana e alguns conjuntos virais. Mas alguns dos desafios mais prementes na ciência biomédica e de materiais estão um pouco além do alcance da resolução dos atuais sistemas MAS-NMR.

“À medida que progredimos para frequências de rotação acima de 100 quilohertz”, equivalente a 6 milhões de rotações por minuto, diz Griffin, “estes rotores tornaram-se muito problemáticos. Eles falham cerca de 50% das vezes – e você perde uma amostra, e isso destrói a bobina de RMN.” A equipe decidiu resolver o problema, que muitos diziam ser impossível na época, de fabricar os rotores com diamante de cristal único.