Физики нашли способ сделать магнитно-резонансный томограф для отдельных молекул. Разумеется, не обошлось без нанотехнологий и наночастиц.
Магнитно-резонансная томография, МРТ, наиболее известна благодаря своим медицинским приложениям. Еще благодаря всевозможным экспериментам психологов, где надо посмотреть на активность мозга. Но на этом список возможных применений томографов не исчерпывается, так МРТ может пригодится и для изучения внутренней структуры каких-нибудь мелких объектов, не допускающих просвечивания рентгеновским излучением. А если бы еще можно было изучать отдельные белковые молекулы — цены бы таком методу не было!
Изучать то, как устроены сложные белковые комплексы, нужно врачам и биологам. Недавно мы писали про то, что установлена точная форма рецептора, реагирующего на молекулы инсулина — это важно для поиска лекарств против диабета. Знание формы белков вирусов нужно для разработки препаратов против соответствующих инфекций, будь то банальный грипп, ВИЧ или лихорадка Эбола. Белки интересуют специалистов по нейробиологии памяти, иммунологов, ищущих устойчивые к засухе сорта растений биологов и еще множество других ученых. Спрос велик, а вот предложение пока сводится к рентгеноструктурному анализу. Методу хорошему, но со своими ограничениями, белок надо переводить в форму кристалла и мощное излучение эти драгоценные кристаллы быстро сжигает. Да, эпитет «драгоценный» оправдан, кристалл очищенного белка дороже иного алмаза тех же размеров.
Почему белковые молекулы не изучают на томографе? Потому МРТ — это облучение образца радиоволнами, которые заставляют резонировать электроны в атомах; для определения формы объекта нужна антенна размером хотя бы с сам образец. Если образец очень маленький, а антенна большая, то ничего не получится… а как сделать антенну размером хотя бы в несколько десятков молекул?
Решение, описанное в двух статьях для журнала Science (1, 2) немецкой и американской группой физиков, можно смело назвать блестящим. В прямом смысле слова — антенны сделаны из алмазов. Даже не так — наноалмазов. Очень маленьких кристаллов, которые имеют дефект в своей кристаллической решетке, в которых к атомам углерода добавлен лишний атом азота. Наноалмазы с таким наноизъяном могут реагировать на облучение радиоволнами и при этом еще флуоресцируют красным светом при освещении лазером. То, насколько ярко светится наноалмаз, зависит от облучения радиоволнами, поэтому он может использоваться как сверхминиатюрный детектор радиоволн: по сути, это именно то, что надо.
Немецкие физики также описали эксперимент, подтвердивший работоспособность идеи. Они клали на поверхность наноалмаза молекулы разных веществ, облучали радиоволнами и наблюдали за тем, как меняется флуоресценция. Выяснилось, что изменения действительно имели место и, как утверждают ученые, отсюда недалеко до полноценного нано-МРТ. Фридман Рейнард, физик из университета Штутгарта и ведущий автор исследования говорит, что алмазный нанодетектор можно поместить на иглу, которая обходит образец по кругу и измеряет уровень сигнала, сканируя электромагнитное поле объекта.
Возможно, таким образом удастся исследовать уже не белковые кристаллы, а молекулы прямо внутри живых клеток. Об этом давно мечтают многие специалисты, но пока это утопия. С выходом новых статей слово «пока» стоит выделить — это всего лишь «пока».
МРТ чуть подробнее
Большинство элементарных частиц имеет такую характеристику, как спин (кстати, упоминалась в прошлой статье, там спин играет ключевую роль в грядущей революции в микроэлектронике). Спин это собственный магнитный момент, который показывает то, насколько велико магнитное поле частицы и куда оно направлено; спин, как и положено элементарным частицам, величина квантовая.
Квантовая — значит способная принимать только определенные значения. Спин частицы направлен либо в одну сторону, либо в другую; физики для определенности говорят «вверх» и «вниз». И если поместить атом в магнитное поле, то спин повернется либо вверх, либо вниз; эти состояния имеют немного разную энергию (попробуйте покрутить два магнита и вы увидите, что их взаимные положения в пространстве не однозначны), есть два разных энергетических уровня.
Если начать теперь облучать атом радиоволнами, то его ядро может начать перескакивать с одного этого уровня на другой. И для разных ядер частота радиоволн, которая вызывает такой эффект, различна. Более того, если рядом с атомом, скажем, водорода, находится углерод — резонансная частота водорода изменится, этот эффект позволил определить форму многих молекул еще в середине прошлого века. А если вокруг образца поставить побольше антенн, то по уровню сигнала в разных антеннах можно понять, где каких атомов больше… это и есть МРТ.