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Resonancia magnética para virus
La resonancia magnética, o MRI, es un pilar de la investigación en medicina y neurociencia. Puede sondear de forma no invasiva el interior de los tejidos y proporciona información sobre la presencia de sustancias químicas específicas. Pero debido a que las fuerzas magnéticas que detecta son tan pequeñas, la resonancia magnética no es muy sensible: generalmente revela estructuras en la escala milimétrica a submilimétrica.
Nano aguja: Pegada a la punta de este voladizo de silicio de tamaño nanométrico hay una pequeña muestra del virus del mosaico del tabaco. Cuando los núcleos de hidrógeno dentro de la muestra interactúan con un imán cercano, el voladizo vibra levemente. Al monitorear estas vibraciones mediante láser, los investigadores pueden construir una imagen tridimensional de los virus. Esta técnica, llamada microscopía de fuerza por resonancia magnética, es una versión masivamente reducida de la resonancia magnética.
Ahora los investigadores de Centro de investigación de IBM Almaden , en California, han desarrollado un escáner de resonancia magnética con una resolución 100 millones de veces mejor que eso, lo suficientemente bueno para obtener imágenes de partículas virales individuales. Con más mejoras, la técnica podría usarse algún día para generar imágenes tridimensionales de moléculas individuales.
El sueño de obtener imágenes de una sola molécula es algo que mantiene despiertos a los químicos por la noche, dice John Marohn , profesor asociado de química y biología química en la Universidad de Cornell. Si tuvieras esta herramienta, no hay fin de cosas que podrías hacer con ella, y no hay fin para lo bueno que resultaría de ella.
La resonancia magnética aprovecha el hecho de que los núcleos de algunos elementos, como el hidrógeno, actúan como pequeños imanes. Cuando se aplica un campo magnético externo, estos núcleos giran alrededor de la dirección del campo a frecuencias características, generando pequeñas fluctuaciones magnéticas. En un escáner de resonancia magnética típico, una bobina eléctrica detecta estas fluctuaciones y las usa para mapear la distribución espacial de los núcleos de hidrógeno, generando una imagen del tejido escaneado.
Debido a que la resonancia magnética es tan buena para crear imágenes tridimensionales de estructuras internas, a los científicos les gustaría aprovecharla para obtener imágenes de muestras biológicas mucho más pequeñas, como proteínas individuales. Pero la bobina de detección no se reduce muy bien; cuanto más pequeña es la bobina, menor es la sensibilidad, lo que deja muestras más pequeñas y una resolución más fina fuera del alcance de la resonancia magnética convencional.
El nuevo escáner desarrollado por IBM aprovecha una tecnología emergente llamada microscopía de fuerza por resonancia magnética (MRFM). MRFM elude las limitaciones de la resonancia magnética mediante el uso de un detector físico, en lugar de eléctrico, para captar las minúsculas fuerzas magnéticas generadas por los núcleos giratorios.
Es una forma mucho más sensible de detectar el magnetismo de los núcleos, dice Dan Rugar, gerente de estudios a nanoescala en IBM Almaden Research Center y líder del equipo que desarrolló el nuevo dispositivo.
Rugar y sus colegas colocan la muestra que se va a fotografiar en la punta de un voladizo de silicio diminuto y exquisitamente sensible. Cerca de la punta hay un imán muy pequeño. Usando un cable microscópico, los investigadores generan un campo magnético oscilante que hace que los núcleos de hidrógeno dentro de la muestra se muevan hacia adelante y hacia atrás entre atraer y repeler el imán. Las vibraciones físicas resultantes en el voladizo son detectadas por un láser y utilizadas para construir una imagen.
Resonancia magnética en miniatura: Un esquema del dispositivo de escaneo desarrollado por IBM. La muestra se coloca al final de un voladizo de silicio ultrasensible y se coloca cerca de una pequeña punta magnética. Un microalambre produce un campo magnético oscilante que hace que los núcleos de hidrógeno en una sección delgada de la muestra, la rebanada resonante, se muevan hacia adelante y hacia atrás entre atraer y repeler la punta magnética. Como resultado, el voladizo vibra levemente. Estas vibraciones se miden utilizando un inferómetro láser y se traducen en una imagen tridimensional de la muestra.
El campo oscilante se ajusta con precisión de modo que solo respondan los núcleos de una franja muy pequeña de la muestra, llamada rodaja resonante. Al escanear el imán en un patrón tridimensional, los investigadores pueden mover el corte resonante por toda la muestra. Es esta precisión la que permite que el dispositivo cree una imagen de tan alta resolución.
Otras formas de imágenes de alta resolución, como la microscopía de túnel de barrido y la microscopía de fuerza atómica, solo pueden ver la superficie de una sustancia. Debido al corte resonante, MRFM puede penetrar profundamente en la muestra, creando una imagen tridimensional de su estructura interna.
MRFM surgió por primera vez a principios de la década de 1990 e IBM ha sido un líder constante en el campo. En un experimento histórico en 2004, Rugar y sus colegas utilizaron la tecnología para detectar el espín de un solo electrón. Más recientemente, generaron imágenes de una muestra no biológica con una resolución de hasta 90 nanómetros, mucho mejor que la resonancia magnética convencional, pero no lo suficientemente sensible como para modelar estructuras biológicas individuales.
Ahora, después de años de minuciosos avances incrementales, el equipo de Rugar ha logrado obtener imágenes con resolución nanométrica de una muestra biológica. El equipo eligió utilizar el virus del mosaico del tabaco resistente y bien entendido como prueba de concepto y vio detalles tan pequeños como cuatro nanómetros. .
En realidad, esta es la primera vez que se utiliza esta técnica en una muestra biológica, dice Rugar. Queríamos demostrar que realmente podía hacer biología, porque después de todo, ese es nuestro objetivo general.
Este exitoso experimento abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones biológicas, dice Rugar. En particular, le gustaría poder obtener imágenes de proteínas individuales para determinar su estructura tridimensional interna.
Tienes miles de proteínas en tu cuerpo que no tienen una estructura conocida, porque no existe una técnica para determinar su estructura, dice Rugar. En este momento, el estándar de oro para resolver la estructura de las proteínas es la cristalografía de rayos X, que se limita a las proteínas que pueden cristalizarse.
El escáner nano-MRI no estaría sujeto a esa restricción. En teoría, con más mejoras en la resolución, sería posible examinar las proteínas en su estado nativo congelándolas rápidamente. La MRFM debe realizarse a muy baja temperatura, apenas por encima del cero absoluto, para minimizar el ruido generado por las vibraciones térmicas.
El significado real de esto es que muestra que los límites de MRFM no se han alcanzado y todavía están en camino de hacer un generador de imágenes atómicas, dice Jonathan Jacky , científico investigador de la Universidad de Washington. Un generador de imágenes a escala atómica sería uno de los instrumentos científicos más importantes de la historia. Estaría al mismo nivel que el telescopio o el microscopio óptico. Eso es lo realmente emocionante de esto.