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El primer microscopio de resonancia magnética tiene la bioquímica humana en la mira
La resonancia magnética es uno de los milagros de la ciencia moderna. Produce imágenes tridimensionales no invasivas del cuerpo utilizando campos magnéticos inofensivos y ondas de radio. Y con algunos trucos adicionales, también puede revelar detalles de la composición bioquímica del tejido.
Ese truco bioquímico se llama espectroscopia de resonancia magnética, y es una herramienta poderosa para los médicos e investigadores que estudian la bioquímica del cuerpo, incluidos los cambios metabólicos en los tumores del cerebro y los músculos.
Pero esta técnica no es perfecta. La resolución de la espectroscopia de resonancia magnética está limitada a escalas de longitud de aproximadamente 10 micrómetros. Y hay un mundo de actividad química y biológica a escalas más pequeñas al que los científicos simplemente no pueden acceder de esta manera.
Por lo tanto, a los médicos e investigadores les encantaría tener un microscopio de resonancia magnética que pueda estudiar el tejido corporal y las reacciones bioquímicas dentro de él a escalas mucho más pequeñas.
Hoy, David Simpson y sus amigos de la Universidad de Melbourne en Australia dicen que han construido un microscopio de resonancia magnética con una resolución de solo 300 nanómetros que puede estudiar reacciones bioquímicas en escalas antes inimaginables. Su avance clave es un sensor de diamante exótico que crea imágenes de resonancia magnética de manera similar a un chip CCD sensible a la luz en una cámara.
La resonancia magnética funciona colocando una muestra en un campo magnético tan poderoso que todos los núcleos atómicos se alinean; en otras palabras, todos giran de la misma manera. Cuando estos núcleos son electrocutados con ondas de radio, los núcleos se excitan y luego emiten ondas de radio a medida que se relajan. Al estudiar el patrón de las ondas de radio reemitidas, es posible determinar de dónde provienen y así construir una imagen de la muestra.
Las señales también revelan cómo los átomos están unidos entre sí y los procesos bioquímicos en funcionamiento. Pero la resolución de esta técnica está limitada por lo cerca que el receptor de radio puede llegar a la muestra.
Ingrese a Simpson y compañía, que han construido un tipo completamente nuevo de sensor de resonancia magnética a partir de una película de diamante. El ingrediente secreto de este sensor es una serie de átomos de nitrógeno que se han incrustado en una película de diamante a una profundidad de unos siete nanómetros y con una separación de unos 10 nanómetros.
Los átomos de nitrógeno son útiles porque cuando se incrustan en un diamante, se pueden hacer fluorescentes. Y cuando están en un campo magnético, el color que producen es muy sensible al giro de los átomos y electrones cercanos o, en otras palabras, al entorno bioquímico local.
Entonces, en la nueva máquina, Simpson y compañía colocan su muestra encima del sensor de diamante, en un poderoso campo magnético y lo descargan con ondas de radio. Cualquier cambio en el estado de los núcleos cercanos hace que la matriz de nitrógeno emita fluorescencia en varios colores. Y la matriz de átomos de nitrógeno produce una especie de imagen, como un chip CCD sensible a la luz. Todo lo que Simpson y compañía hacen es monitorear este espectáculo de fuegos artificiales para ver qué está pasando.
Para poner a prueba la nueva técnica, Simpson y compañía estudian el comportamiento de los complejos de hexaaqua cobre(2+) en solución acuosa. Hexaaqua cobre está presente en muchas enzimas que lo utilizan para incorporar cobre en metaloproteínas. Sin embargo, la distribución del cobre durante este proceso y el papel que desempeña en la señalización celular no se comprende bien porque es imposible visualizarlo in vivo.
Simpson y compañía muestran cómo se puede hacer esto ahora usando su nueva técnica, a la que llaman microscopía de resonancia magnética cuántica. Muestran cómo su nuevo sensor puede revelar la distribución espacial de los iones de cobre 2+ en volúmenes de unos pocos attolitros y en alta resolución. Demostramos la resolución de imágenes en el límite de difracción (~ 300 nm) con sensibilidades de espín en el rango de zeptomol (10‐21), dicen Simpson y compañía. También muestran cómo la técnica revela las reacciones redox que experimentan los iones. Y hacen todo esto a temperatura ambiente.
Es un trabajo impresionante que tiene implicaciones importantes para el estudio futuro de la bioquímica. El trabajo demuestra que los sistemas de detección cuántica pueden acomodar el entorno browniano fluctuante que se encuentra en los sistemas químicos 'reales' y las fluctuaciones inherentes en el entorno de espín de los iones que experimentan una reorganización de ligandos, dicen Simpson y compañía.
Eso lo convierte en una nueva y poderosa herramienta que podría cambiar la forma en que entendemos los procesos biológicos. Simpson y compañía son optimistas sobre su potencial. La microscopía de resonancia magnética cuántica es ideal para investigar la bioquímica fundamental a nanoescala, como los eventos de unión en las membranas celulares y la concentración de metales de transición intracelular en el periplasma de las células procarióticas.
Ref: arxiv.org/abs/1702.04418 : Microscopía de Resonancia Magnética Cuántica