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Jul 13, 2023

작은 다이아몬드 로터로 단백질 연구 개선 가능

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주요 질병과 관련된 물질을 포함하여 연구자들이 연구에 가장 관심이 있는 많은 생물학적 물질은 물질의 구조와 화학을 조사하기 위해 연구자가 일반적으로 사용하는 기존 방법에 적합하지 않습니다.

마법각 회전 핵자기공명(MAS-NMR)이라고 불리는 한 기술은 일부 단백질과 같은 복잡한 분자의 특성을 결정하는 방법으로 매우 성공적인 것으로 입증되었습니다. 그러나 이러한 시스템으로 달성할 수 있는 분해능은 작은 로터의 회전 주파수에 따라 달라지며 이러한 시스템은 로터 재료로 인해 부과된 한계에 부딪혔습니다.

오늘날 사용되는 대부분의 장치는 핀만큼 얇은 이트리아 안정화 지르코니아로 만들어진 로터에 의존합니다. 이러한 로터는 분당 수백만 회전보다 훨씬 빠르게 회전하면 분해되므로 이러한 시스템으로 연구할 수 있는 재료가 제한됩니다. 그러나 이제 MIT 연구원들은 순수한 다이아몬드 결정으로 이 작고 정밀한 회전자를 만드는 방법을 개발했습니다. 이 회전자는 훨씬 더 큰 강도로 인해 훨씬 ​​더 높은 주파수에서 회전할 수 있습니다. 이러한 발전으로 알츠하이머병과 관련된 아밀로이드 플라크에서 발견되는 분자를 포함하여 다양한 중요 분자를 연구할 수 있는 기회가 열렸습니다.

새로운 방법은 MIT 대학원생 Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks 및 David Preiss의 논문인 Journal of Magnetic Resonance에 설명되어 있습니다. Robert Griffin, Neil Gershenfeld, Keith Nelson 교수; 그리고 MIT에 있는 다른 7명.

Gershenfeld는 MAS-NMR 기술이 "생물학적으로 의미 있는 환경에서 복잡한 생물학적 단백질을 [분석]하기 위해 선택하는 도구"라고 말합니다. 예를 들어, 샘플은 검사를 위해 건조되거나 결정화되거나 코팅되는 대신 액체 환경에서 분석될 수 있습니다. “오직 [고체] NMR만이 주변 화학 환경에서 이를 수행합니다.”라고 그는 말합니다.

기본 방법은 수십 년 동안 존재해 왔으며 연구할 물질로 채워진 작은 실린더를 자기장에 배치하여 일반적으로 질소와 같은 가스 제트를 사용하여 고주파로 회전시킨 다음 재압력을 가하는 방식이라고 Griffin은 설명합니다. 재료의 주요 특성을 결정하기 위해 고주파 펄스를 사용합니다. "마법의 각도"라는 용어는 샘플을 포함하는 실린더가 적용된 자기장에 대해 하나의 정확한 각도(54.74도)로 회전할 경우 스펙트럼 선을 넓히는 다양한 소스가 감쇠되고 훨씬 더 높은 해상도의 스펙트럼이 생성된다는 사실을 의미합니다. 가능합니다.

그러나 이러한 스펙트럼의 분해능은 작은 실린더 또는 회전자가 부서지기 전에 회전할 수 있는 속도에 따라 직접적으로 제한됩니다. 수년에 걸쳐 초기 버전은 다양한 플라스틱으로 만들어졌고 나중에는 세라믹 재료가 사용되었으며 마지막으로 "요즘 대부분의 로터를 만드는 데 선택되는 재료인" 지르코늄이 사용되었습니다."라고 Griffin은 말합니다.

이러한 MAS-NMR 시스템은 다른 표준 실험실 방법을 사용하여 조사하기 어렵거나 불가능한 단백질을 포함한 물질의 분자 구조를 개별 원자 수준까지 연구하기 위한 도구로 생화학 연구에서 널리 사용됩니다. 여기에는 아밀로이드 원섬유뿐만 아니라 막 단백질과 일부 바이러스 집합도 포함됩니다. 그러나 생의학 및 재료 과학 분야에서 가장 시급한 과제 중 일부는 오늘날의 MAS-NMR 시스템의 해상도를 넘어서는 것입니다.

Griffin은 "100kHz 이상의 회전 주파수(분당 600만 회전에 해당)로 발전함에 따라 이러한 로터는 매우 문제가 되었습니다. 약 50%의 확률로 실패합니다. 그리고 샘플이 손실되고 NMR 코일이 파괴됩니다.” 팀은 당시 많은 사람들이 불가능하다고 말했던 문제인 단결정 다이아몬드로 로터를 만드는 문제를 해결하기로 결정했습니다.