새로운 가공 마이크로스케일 다이아몬드 로터로 단백질 연구 개선 가능

Jul 30, 2023

주요 질병과 관련된 물질을 포함하여 연구자들이 연구에 가장 관심을 갖고 있는 생물학적 물질 중 다수는 물질의 구조와 화학적 성질을 조사하기 위해 연구자들이 일반적으로 사용하는 기존 방법에 적합하지 않습니다. 한 가지 기술은 마법각 회전 핵이라고 합니다. 자기공명(MAS-NMR)은 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 이트리아 안정화 지르코니아로 만든 로터에 의존합니다. 핀. 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 발전은 알츠하이머병과 관련된 아밀로이드 플라크에서 발견되는 분자를 포함하여 다양한 중요한 분자를 연구할 수 있는 문을 열었습니다. 새로운 방법은 MIT 대학원생 Natalie Golota, Zachary Fredin의 논문인 자기 공명 저널(Journal of Magnetic Resonance)에 설명되어 있습니다. , 다니엘 뱅크스, 데이비드 프레이스; Robert Griffin, Neil Gershenfeld, Keith Nelson 교수; MAS-NMR 기술은 "생물학적으로 의미 있는 환경에서 복잡한 생물학적 단백질을 [분석]하기 위한 선택 도구"라고 Gershenfeld는 말합니다. 예를 들어, 샘플은 검사를 위해 건조되거나 결정화되거나 코팅되는 대신 액체 환경에서 분석될 수 있습니다. "고체 NMR만이 주변 화학 환경에서 이를 수행합니다."라고 Griffin은 설명합니다. 기본 방법은 수십 년 동안 존재했으며 연구할 물질로 채워진 작은 실린더를 자기장에 배치하는 것과 관련이 있다고 Griffin은 설명합니다. 일반적으로 질소와 같은 가스 제트를 사용하여 고주파수까지 매달고 회전시킨 다음 무선 주파수 펄스로 충격을 가하여 재료의 주요 특성을 결정할 수 있습니다. "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. 연구원 제공그러나 이러한 스펙트럼의 분해능은 작은 실린더 또는 로터가 부서지기 전에 얼마나 빨리 회전할 수 있는지에 따라 직접적으로 제한됩니다. 수년에 걸쳐 초기 버전은 다양한 플라스틱으로 만들어졌고 이후에는 세라믹 재료가 사용되었으며 마지막으로 "요즘 대부분의 로터가 만들어지는 재료로 선택되는" 지르코늄이 사용되었습니다. 이러한 MAS-NMR 시스템은 널리 사용됩니다. 다른 표준 실험실 방법을 사용하여 조사하기 어렵거나 불가능한 단백질을 포함한 물질의 분자 구조를 개별 원자 수준까지 연구하기 위한 도구로 생화학 연구에 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. "우리가 분당 600만 회전에 해당하는 100킬로헤르츠 이상의 회전 주파수로 발전함에 따라"라고 Griffin은 말합니다. "이 로터는 매우 문제가 많습니다. 약 50%의 시간 동안 작동하지 않으며 샘플이 손실되고 NMR 코일이 파괴됩니다." 팀은 당시 많은 사람들이 불가능하다고 말했던 문제, 즉 단결정 다이아몬드로 로터를 만드는 문제를 해결하기로 결정했습니다. 심지어 자신들이 사용하는 레이저 시스템을 만드는 회사도 불가능하다고 생각했고, 수년간의 작업이 필요했습니다. MIT의 비트 및 원자 센터와 화학과의 학생과 연구원이 포함된 학제간 팀이 해당 제조 문제를 해결했습니다. (이 협력은 MIT의 Killian Award 위원회에서 활동하는 Griffin과 Gershenfeld로부터 시작되었습니다.) 그들은 레이저로 다이아몬드 조각을 재핑하면서 다이아몬드 조각을 빠르게 회전시키는 일종의 레이저 기반 선반 시스템을 개발했습니다. 본질적으로 직경이 0.7mm(약 1/36인치)에 불과한 완벽하게 매끄러운 원통이 남을 때까지 외부 층을 기화시킵니다. 그런 다음 동일한 레이저를 사용하여 원통 중앙을 통해 완벽하게 중심에 위치한 구멍을 뚫고 일종의 빨대 모양을 남깁니다. "작동할지는 확실하지 않습니다"라고 Gershenfeld는 말합니다. "하지만 레이저는 다이아몬드를 흑연으로 바꿉니다. 탄소를 제거하고 점진적으로 그렇게 하여 다이아몬드에 깊은 구멍을 뚫을 수 있습니다." 다이아몬드는 순수한 흑연의 검은색 코팅으로 가공 공정에서 나오지만 MIT 연구원들은 로터를 밤새 가열하면 이러한 현상이 제거될 수 있음을 발견했습니다. 섭씨 약 600도(화씨 약 1,100도)에서 회전합니다. 그 결과 이미 최고의 지르코니아 로터 속도인 분당 600만 회전으로 회전할 수 있는 로터가 탄생했으며, 극도로 높은 열 전도성과 무선 주파수 투명성. Fredin은 이 고정밀 가공 시스템을 만드는 데 필요한 모든 부품이 비트 및 원자 센터의 지하 실험실에서 "모두 설계되고 제작되었습니다"라고 지적합니다. "모든 것을 물리적으로 설계하고 제작하며 내부에서 하루에 여러 번 반복할 수 있다는 점이 이 프로젝트의 중요한 측면이었습니다. 외부 기계 공장으로 물건을 보내는 것과는 대조적입니다." 이제 훨씬 더 높은 회전 주파수를 달성하는 것이 중요합니다. 연구원들은 이러한 새로운 로터를 사용하여 가능하지만 속도를 높이고 해상도를 높이려면 회전을 구동하기 위해 질소가 아닌 헬륨을 기반으로 하는 새로운 베어링과 새로운 시스템의 개발이 필요하다고 말합니다. "이 기술이 입증될 때까지, 이전에 사용된 로터가 회전 속도를 견딜 수 없을 때까지 이러한 소형 로터용 헬륨 호환 베어링을 개발하는 것은 결코 가치가 없었습니다." 분당 회전 수라고 Golota는 말합니다. 이러한 높은 회전 속도는 NMR 분야 외부에서는 거의 들어본 적이 없습니다. Preiss는 기계 엔지니어로서 "수만 rpm 이상으로 회전하는 물체를 접하는 경우는 거의 없습니다"라고 말합니다. 그는 이 장치의 600만 rpm 수치를 처음 들었을 때 "농담인 줄 알았습니다."라고 말합니다. Gershenfeld는 이러한 빠른 속도 때문에 모든 불완전성으로 인해 불안정성이 쉽게 발생할 수 있다고 말했습니다. 구조의 비대칭성, 이러한 주파수에서는 운명이 정해져 있습니다." Golota는 현재 지르코니아 로터를 사용한 실험에서 "로터가 고장나면 폭발하고 본질적으로 먼지를 회수할 뿐입니다. 그러나 다이아몬드 로터가 고장나면 우리는 그들은 그대로 복구할 수 있었습니다. 따라서 샘플도 절약할 수 있으며 이는 사용자에게 귀중한 자원이 될 수 있습니다." 그들은 이미 새로운 다이아몬드 로터를 사용하여 탄소-13 및 질소-15 스펙트럼을 생성했습니다. 그리핀은 이 작은 펩타이드가 새로운 다이아몬드 로터 소재의 능력을 명확하게 입증하고 있으며, 이는 지난 30년 동안 개발된 로터용 최초의 신소재라고 그리핀이 밝혔습니다. "우리는 알츠하이머병의 독성 종인 아밀로이드 베타 1-42의 구조를 결정하기 위해 이와 같은 스펙트럼을 광범위하게 사용했습니다."라고 그는 말했습니다. 그러한 물질의 샘플은 구하기 어렵고 일반적으로 아주 적은 양으로만 얻을 수 있다고 그는 말합니다. "우리는 이제 2~3mg의 재료를 넣고 이와 같은 스펙트럼 데이터를 얻을 수 있는 매우 신뢰할 수 있는 작은 로터를 갖게 되었습니다."라고 그는 그들이 얻은 샘플 데이터를 가리키며 말했습니다. "정말 흥미롭고 많은 새로운 연구 분야가 열릴 것입니다." NMR 시스템 제조업체인 Doty Scientific의 사장인 David Doty(이 작업에는 참여하지 않았지만) 이 작업은 "정말 놀랍습니다"라고 말했습니다. "실제로 작동하는 모습을 보기 전에 고속 MAS에 필요한 정밀도로 다이아몬드 로터를 레이저 가공하는 것이 가능하다고 생각한 사람을 이 그룹 외부에서 찾는 것은 매우 어려웠을 것입니다."라고 Doty는 덧붙입니다. 지금까지 입증한 것은 놀라운 일이 아닙니다. 필요한 추가 진전이 이루어질 수 있다면 수백 명의 NMR 연구자들은 일부 질병에 대한 이해를 향상시키고 "이 신기술은 미래에 고체 NMR 실험을 수행하는 방식에 획기적인 변화를 가져올 가능성이 있으며 해상도와 감도 측면에서 전례 없는 실험 기회를 열어줄 것입니다." 프랑스 리옹에 있는 Ecole Normale Superieure의 분석 과학 연구소 부소장인 Anne Lesage는 이 연구와 관련이 없다고 말합니다. 연구팀에는 Salima Bahri, Daniel Banks, Prashant Patil, William Langford, Camron Blackburn도 포함되어 있습니다. , Erik Strand, Brian Michael 및 Blake Dastrup이 모두 MIT에 있습니다. 이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health), CBA 컨소시엄 기금, 미국 에너지부, 미국 국립과학재단의 지원을 받았습니다.