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Jul 13, 2023

小さなダイヤモンドローターがタンパク質研究を改善する可能性がある

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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、最後にジルコニウムが使用されました。「最近では、ほとんどのローターがこの材料で作られています」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、」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% の確率で失敗し、サンプルが失われると NMR コイルが破壊されます。」 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。