斬新な機械加工によるマイクロスケールダイヤモンドローターはタンパク質研究を改善する可能性がある

Jul 30, 2023

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、研究者が材料の構造や化学を調べるために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と呼ばれる技術の1つは、磁気共鳴 (MAS-NMR) 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非常に成功し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。今日使用されているこのような装置のほとんどは、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。ピン。 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る。この新しい方法は、MIT大学院生のナタリー・ゴロタ氏とザカリー・フレディン氏による論文で磁気共鳴誌ジャーナルに記載されている。 、ダニエル・バンクス、デヴィッド・プライス。 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。 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行うのは（固体）NMR だけです」と彼は言う。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円筒を磁場の中に置く必要があるとグリフィンは説明する。ガス（通常は窒素）のジェットを使用して懸濁し、高周波まで回転させ、高周波パルスでザッピングして材料の重要な特性を決定することができます。 「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。研究者の厚意による。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る。 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、最後にジルコニウムが使用されました。「最近、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 システムは広く普及しています。生化学研究では、他の標準的な研究方法では調べ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使用されます。 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 システムの分解能が及ばないところにあります。「100 キロヘルツを超える回転周波数に進むにつれて」、毎分 600 万回転に相当する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を抱えています。ローターは約 50% の確率で故障します。そしてサンプルが失われ、NMR コイルが破壊されます。」 チームは、当時は不可能だと多くの人が言っていた、ローターを単結晶ダイヤモンドで作るという問題に取り組むことにしました。使用したレーザー 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おり、何年もの作業がかかりました。この製造問題を解決するために、MIT ビット原子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って開発されました。 (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に中心にある穴を開け、ストローのような形状を残します。「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います。「しかし、レーザーはダイヤモンドをグラファイトに変える「ダイヤモンドは機械加工プロセスから出てきて、純粋なグラファイトの黒いコーティングが施されていますが、マサチューセッツ工科大学の研究者らは、ローターを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、最高のジルコニア ローターの速度である毎分 600 万回転で回転できるローターが誕生しました。また、非常に高い熱伝導率や、フレディン氏は、この高精度加工システムを作るために必要なすべての部品は、ビットとアトムセンターの地下実験室で「すべてここで設計され、製造された」と指摘しました。 「外部の機械工場に物を送らなければならないのとは対照的に、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。」 はるかに高い回転周波数を達成することは、今では重要なことです。これらの新しいローターでは可能だが、速度の向上とそれに伴う分解能の飛躍を達成するには、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、と研究者らは述べている。 「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場合、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。」ゴロタ氏によれば、このような高い回転速度は、NMR 分野以外ではほとんど見たことがありません。 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 という数字を初めて聞いたとき、「冗談だと思った」と彼は言います。これらの高速性のため、あらゆる不完全さから不安定性が簡単に発生する可能性があるとガーシェンフェルド氏は言います。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すると、我々は、 「彼らはすでに新しいダイヤモンドローターを使用して、生物の炭素 13 と窒素 15 のスペクトルを生成しています。つまり、サンプルも保存することになります。これはユーザーにとって貴重なリソースとなります。」これは、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過去 30 年間で開発された初めてのものであるという。 「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。 「こ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だろう。」 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の社長、デイビッド・ドティは言う。 「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」とドティ氏は付け加えます。さらなる必要な進歩が得られれば、何百人もの NMR 研究者が、一部の疾患についての理解の向上や開発など、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ためにこれらの研究を利用したいと思うでしょう。 「この新技術は、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があり、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。」フランスのリヨンにあるエコール・ノルマル・シュペリウールの分析科学研究所の非常勤所長であるアンヌ・ルサージュ氏は言う。彼もこの研究には関与していない。研究チームにはサリマ・バーリ氏、ダニエル・バンクス氏、プラシャント・パティル氏、ウィリアム・ラングフォード氏、カムロン・ブラックバーン氏も含まれていた。 、エリック・ストランド、ブライアン・マイケル、ブレイク・ダストラップ、全員MIT。 この研究は、米国国立衛生研究所、CBA コンソーシアム基金、米国エネルギー省、米国国立科学財団の支援を受けました。