小さなダイヤモンドローターを加工する新しい方法により、タンパク質研究が改善される可能性がある

Sep 07, 2023

2023 年 5 月 24 日

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David L. Chandler著、マサチューセッツ工科大学

主要な疾患に関連するものを含め、研究者が研究に最も興味を持っている生物学的材料の多くは、材料の構造や化学を調べるために研究者が通常使用する従来の方法には適していません。

マジックアングルスピニング核磁気共鳴（MAS-NMR）と呼ばれる技術の 1 つは、一部のタンパク質などの複雑な分子の特性を決定する方法として大きな成功を収めていることが証明されています。 しかし、このようなシステムで達成できる分解能は小さなローターの回転周波数に依存しており、これらのシステムはローターの材質によって課せられる限界に達しています。

現在使用されているこのような装置のほとんどは、ピンと同じくらい薄いイットリア安定化ジルコニアで作られたローターに依存しています。 このようなローターは、毎分数百万回転よりはるかに速く回転するとバラバラになってしまい、そのようなシステムで研究できる材料が制限されてしまいます。 しかし今回、MITの研究者らは、純粋なダイヤモンド結晶からこれらの小さくて精密なローターを作る方法を開発した。その強度がはるかに高く、はるかに高い周波数で回転できる可能性がある。 この進歩により、アルツハイマー病に関連するアミロイド斑に含まれる分子を含む、さまざまな重要な分子の研究への扉が開かれます。

新しい方法は、Journal of Magnetic Resonance の MIT 大学院生 Natalie Golota、Zachary Fredin、Daniel Banks、David Preiss による論文で説明されています。 ロバート・グリフィン教授、ニール・ガーシェンフェルド教授、キース・ネルソン教授。 MIT には他に 7 人がいます。

MAS-NMR 技術は、「生物学的に意味のある環境で複雑な生物学的タンパク質を分析するための最適なツールです」とガーシェンフェルド氏は言います。 たとえば、サンプルは、検査のために乾燥または結晶化またはコーティングされるのではなく、液体環境で分析できます。 「周囲の化学環境でそれを実行できるのは[固体] NMR だけです」と彼は言います。

基本的な方法は何十年も前から存在しており、研究対象の材料で満たされた小さなシリンダーを磁場の中に置き、そこでガス（通常は窒素）のジェットを使用して材料を浮遊させて高周波まで回転させ、その後ザッピングするというものであるとグリフィン氏は説明する。高周波パルスを使用して材料の重要な特性を決定します。 「魔法の角度」という用語は、サンプルを含む円筒が、印加された磁場に対してある正確な角度 (54.74 度) で回転すると、スペクトル線の広がりのさまざまな原因が減衰され、より高解像度のスペクトルが得られるという事実を指します。可能だ。

しかし、これらのスペクトルの分解能は、小さな円筒またはローターが粉々になる前にどれだけ速く回転できるかによって直接制限されます。 長年にわたり、初期のバージョンはさまざまなプラスチックで作られ、その後はセラミック材料が使用され、最終的にはジルコニウムが使用され、「最近のほとんどのローターで作られている材料として選ばれています」とグリフィン氏は言います。

このような MAS-NMR システムは、他の標準的な研究方法ではプローブするのが困難または不可能なタンパク質などの材料の分子構造を個々の原子のレベルまで研究するためのツールとして、生化学研究で広く使用されています。 これらには、アミロイド原線維だけでなく、膜タンパク質や一部のウイルス集合体も含まれます。 しかし、生物医学と材料科学の両方における最も差し迫った課題のいくつかは、今日の MAS-NMR システムの解決策の及ばないところにあります。

「回転周波数が 100 キロヘルツを超えるようになると、」とグリフィン氏は言います。「これらのローターは非常に問題が多くなりました。約 50% の確率で故障し、サンプルが失われ、サンプルが破壊されてしまいます。」 NMRコイルです。」 チームは、ローターを単結晶ダイヤモンドで作るという、当時は不可能だと多くの人が言っていた問題に取り組むことを決意した。

彼らが使用していたレーザー システムを製造している会社ですら、それは不可能だと考えていました。その捏造を解決するには、MIT のビット・アトムセンターと化学科の両方の学生と研究者が参加する学際的なチームによる何年もの作業が必要でした。問題。 (このコラボレーションは、MIT のキリアン賞委員会の委員を務めるグリフィンとガーシェンフェルドから生まれました)。 彼らは、ダイヤモンドをレーザーでザッピングしながら急速に回転させ、直径わずか 0.7 ミリメートル (約 1/36 インチ) の完全に滑らかな円柱が残るまで、本質的に外層を蒸発させる、一種のレーザーベースの旋盤システムを開発しました。 次に、同じレーザーを使用してシリンダーの中央に完全な中心の穴を開け、ストローのような形状を残します。

「それがうまくいくかどうかは明らかではありません」とガーシェンフェルド氏は言う。「しかし、レーザーはダイヤモンドをグラファイトに変え、炭素を除去するので、段階的にダイヤモンドの奥深くまでドリルで穴を開けることができます。」

ダイヤモンドは機械加工プロセスで純粋なグラファイトの黒いコーティングとともに現れますが、MIT の研究者は、ローターを約 600 °C (約 1,100 °F) で一晩加熱することでこれを除去できることを発見しました。その結果、すでに使用できるローターが完成しました。最高のジルコニアローターの速度である毎分600万回転で回転し、非常に高い熱伝導率や高周波透過性など、他の有利な特性も備えています。

フレディン氏は、この高精度機械加工システムを作るのに必要なすべての部品が「すべてここで設計され、ビット・アンド・アトムセンターの地下実験室で製造された」と指摘した。 「外部の機械工場に物を送らなければならないのではなく、社内ですべてを物理的に設計して作成し、それを 1 日に何度も繰り返すことができることが、このプロジェクトの重要な側面でした。」

研究者らによると、これらの新しいローターを使えば、はるかに高い回転周波数の達成が可能になるはずだが、速度の向上とそれに対応する速度を達成するには、回転を駆動するために窒素ではなくヘリウムをベースにした新しいベアリングと新しいシステムの開発が必要になるという。解像度が飛躍的に上がります。 「この技術が証明されるまで、これらの小型ローター用のヘリウム互換ベアリングを開発する価値はまったくありませんでした。以前に使用されていたローターが回転速度に耐えることができなかったためです。」ゴロタ氏は、毎分回転数だと言います。

このような高い回転速度は、NMR 分野以外ではほとんど例がありません。 機械エンジニアとして、「数万 rpm を超えて回転するものに遭遇することはほとんどありません」と Preiss 氏は言います。 これらのデバイスの 600 万 rpm という数字を最初に聞いたとき、「冗談だと思った」と彼は言います。

ガーシェンフェルド氏は、このような高速性のため、あらゆる不完全性から不安定性が容易に発生する可能性があると述べています。「これらの周波数において、構造にわずかな非対称性でもあれば、運命にあります。」

ゴロタ氏は、現在のジルコニアローターを使った実験では、「ローターが故障すると爆発し、本質的には塵を回収するだけだ。しかし、ダイヤモンドローターが故障したとき、我々はそれらを無傷で回収することができた。つまり、サンプルを保存していることになる」と述べた。ユーザーにとっても貴重なリソースとなる可能性があります。」

彼らはすでに新しいダイヤモンドローターを使用して小さなペプチドの炭素13と窒素15のスペクトルを生成しており、新しいダイヤモンドローター材料の能力を明確に示しており、グリフィン氏によれば、このようなローター用の新材料は世界で開発されるのは初めてだという。過去30年間。 「私たちは、アルツハイマー病の有毒種であるアミロイドベータ 1-42 の構造を決定するために、このようなスペクトルを広範囲に使用してきました。」と彼は言います。

このような物質のサンプルは入手が難しく、通常は少量しか入手できないと彼は言います。 「我々は現在、2、3ミリグラムの物質を投入してこのようなスペクトルデータを取得できる、できれば非常に信頼性の高い小型ローターを手に入れました」と、彼らが得たサンプルデータを指しながら彼は言う。 「それは本当にエキサイティングであり、多くの新しい研究分野が開かれることになるでしょう。」

この研究には「本当に注目に値する」と、この研究には関与していないNMRシステムのメーカーであるDoty Scientific社の社長、デイビッド・ドーティ氏は言う。 「このグループ以外で、実際に動作するのを見る前に、高速 MAS に必要な精度でダイヤモンド ローターをレーザー加工できると考えていた人を見つけるのは非常に困難でした。」と彼は言います。

ドティ氏はさらに、「彼らがこれまでに実証してきたことは、驚くべきこと以外の何ものでもありません。もし追加の必要な進歩が得られれば、何百人ものNMR研究者が、彼らが取り組んでいるプロジェクトのためにより良いデータを得るのに役立つことを彼らに望んでいるでしょう。いくつかの病気を理解し、より良い薬を開発し、先進的な電池材料を開発することもできます。」

「この新しい技術は、将来の固体NMR実験の実施方法に大きな変革をもたらす可能性を秘めており、分解能と感度の点で前例のない実験の機会が開かれます。」と同研究所の非常勤ディレクターであるアン・ルサージ氏は述べています。フランスのリヨンにあるエコール・ノルマル・シュペリウールで分析科学の博士号を取得した彼も、この研究には関与していませんでした。

詳しくは： Natalie C. Golota 他、ダイヤモンド ローター、Journal of Magnetic Resonance (2023)。 DOI: 10.1016/j.jmr.2023.107475

マサチューセッツ工科大学提供

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