En enkelt molekylsensor kan åpne døren til avbildning av proteiner

Gjennombruddet kan få betydning for hvordan forskere undersøker proteiner og andre biologiske molekyler. Målet er å kunne måle magnetiske omgivelser rundt enkeltatomer i ett protein, i stedet for å basere seg på gjennomsnittsmålinger fra store mengder identiske molekyler .

Problemet: Kvantetilstanden forsvinner for raskt

Molekylære spinn – kvantetilstander som kan bære informasjon om det sensorene måler – mister vanligvis koherensen på under omtrent 10 mikrosekunder. Da blir tidsvinduet for presise målinger svært kort .

Waterloo-teamet løste utfordringen med to sentrale tekniske grep.

En ny kontrollsekvens

Forskerne utviklet en modifisert XYXY-sekvens for dipolar frakobling. Den demper vekselvirkninger mellom elektronenes spinn over et bredt spekter av kontrollfelt. Resultatet var en koherenstid på rundt 400 mikrosekunder – omtrent 60 ganger lenger enn det standard spin-ekko-metoder oppnår i det samme systemet .

«En viktig utfordring var å holde OX063-spinnene koherente lenge nok til at de kunne brukes som sensorer», sa Sahand Tabatabaei, doktorgradsstipendiat ved IQC og førsteforfatter av studien .

Mekanisk avlesning med nanowirer

SQUINT leser ikke av signalet optisk, slik mange sensorer basert på nitrogen-vakanser i diamant gjør. I stedet registreres kvantesignalet mekanisk ved hjelp av nanowirer.

Nanowirene er rundt 100 nanometer i diameter, omtrent på størrelse med et virus, og 20 mikrometer lange, omtrent på størrelse med diameteren til et menneskehår . Den mekaniske avlesningen er en ny tilnærming innen kvantesansing og kan gjøre det mulig å plassere sensoren nærmere molekylet som skal undersøkes enn diamantbaserte sensorer tillater .

Hvorfor dette kan bli viktig for legemidler

Trityl-OX063-molekyler er ikke bundet til et fast krystallgitter slik sensorer basert på diamant ofte er. De kan derfor i prinsippet festes kjemisk eller plasseres noen få nanometer fra målobjektet . Denne nærheten gir forskerne større kontroll over hvor målingen skjer.

Det kan få flere følger:

• Kartlegging av enkeltproteiner: Dagens molekylære avbildningsteknikker bygger ofte på store prøver og gjennomsnittsverdier. En mer følsom sensor kan gjøre det mulig å undersøke den særegne strukturen til ett enkelt protein .
• Bedre forståelse av sykdom: Målinger på molekylnivå kan gi informasjon om hvordan sykdomsprosesser utvikler seg i enkeltproteiner .
• Legemiddelutvikling: Mer presis kunnskap om proteinstrukturer og om hvordan legemiddelkandidater binder seg til målene sine, kan på sikt bidra til å utvikle mer treffsikre behandlinger .

Dette er likevel et mulig bruksområde, ikke en ferdig metode for legemiddelutvikling. Teknologien må først bli følsom nok til å måle enkeltspinn og gi detaljerte strukturbilder.

Allerede måling av rundt ti spinn

SQUINT-sensoren kan i dag registrere magnettilstanden til omtrent ti kjernespinn . Forskningsleder Raffi Budakian sier at teamet ser en tydelig vei mot følsomhet for ett enkelt spinn – steget som trengs for å kartlegge strukturen til enkeltmolekyler .

Arbeidet viser dermed ikke at forskerne allerede kan lage komplette bilder av enkeltproteiner. Det viser derimot at en molekylbasert kvantesensor kan holde på informasjonen lenge nok til å utføre nyttige målinger, samtidig som den kan plasseres svært nær biologiske mål. Det er et praktisk steg mot kvantesensorer som kan undersøke spørsmål i biologi og medisin som klassiske teknikker har hatt problemer med å besvare.