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Jul 13, 2023

Un petit rotor en diamant pourrait améliorer les études sur les protéines

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Bon nombre des matériaux biologiques que les chercheurs souhaitent étudier, y compris ceux associés à des maladies majeures, ne se prêtent pas aux méthodes conventionnelles que les chercheurs utilisent généralement pour sonder la structure et la chimie d'un matériau.

Une technique, appelée résonance magnétique nucléaire à rotation à angle magique, ou MAS-NMR, s'est révélée très efficace pour déterminer les propriétés de molécules complexes telles que certaines protéines. Mais la résolution pouvant être obtenue avec de tels systèmes dépend de la fréquence de rotation de minuscules rotors, et ces systèmes se heurtent aux limites imposées par les matériaux du rotor.

La plupart de ces dispositifs utilisés aujourd'hui reposent sur des rotors en zircone stabilisée à l'yttria, aussi fins qu'une épingle. De tels rotors s'effondrent s'ils tournent à une vitesse bien supérieure à quelques millions de tours par minute, ce qui limite les matériaux pouvant être étudiés avec de tels systèmes. Mais maintenant, des chercheurs du MIT ont développé une méthode pour fabriquer ces rotors minuscules et précis à partir de cristal de diamant pur, dont la résistance bien plus grande pourrait leur permettre de tourner à des fréquences bien plus élevées. Cette avancée ouvre la porte à l’étude d’une grande variété de molécules importantes, notamment celles présentes dans les plaques amyloïdes associées à la maladie d’Alzheimer.

La nouvelle méthode est décrite dans le Journal of Magnetic Resonance, dans un article rédigé par Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks et David Preiss, étudiants diplômés du MIT ; les professeurs Robert Griffin, Neil Gershenfeld et Keith Nelson ; et sept autres au MIT.

La technique MAS-NMR, dit Gershenfeld, « est l’outil de choix pour [analyser] des protéines biologiques complexes dans des environnements biologiquement significatifs ». Par exemple, un échantillon pourrait être analysé dans un environnement liquide au lieu d'être séché, cristallisé ou recouvert pour examen. "Seule la RMN [du solide] le fait dans l'environnement chimique ambiant", dit-il.

La méthode de base existe depuis des décennies, explique Griffin, et consiste à placer un petit cylindre rempli du matériau à étudier dans un champ magnétique où il peut être suspendu et tourné à haute fréquence à l'aide de jets de gaz, généralement de l'azote, puis zappé. avec des impulsions radiofréquence pour déterminer les propriétés clés du matériau. Le terme « angle magique » fait référence au fait que si le cylindre contenant l'échantillon tourne selon un angle précis (54,74 degrés) par rapport au champ magnétique appliqué, diverses sources d'élargissement des raies spectrales sont atténuées et un spectre de résolution beaucoup plus élevée est possible.

Mais la résolution de ces spectres est directement limitée par la vitesse à laquelle les minuscules cylindres, ou rotors, peuvent tourner avant de se briser. Au fil des années, les premières versions ont été fabriquées à partir de divers plastiques, puis des matériaux céramiques ont été utilisés, et enfin le zirconium, « qui est le matériau de choix avec lequel la plupart des rotors sont fabriqués de nos jours », explique Griffin.

De tels systèmes MAS-NMR sont largement utilisés dans la recherche biochimique comme outil pour étudier la structure moléculaire, jusqu'au niveau des atomes individuels, de matériaux, notamment des protéines, difficiles, voire impossibles, à sonder à l'aide d'autres méthodes de laboratoire standard. Ceux-ci incluent non seulement les fibrilles amyloïdes, mais aussi les protéines membranaires et certains assemblages viraux. Mais certains des défis les plus urgents en science biomédicale et en science des matériaux se situent juste hors de portée de la résolution des systèmes MAS-RMN actuels.

« À mesure que nous progressions vers des fréquences de rotation supérieures à 100 kilohertz », l'équivalent de 6 millions de tours par minute, explique Griffin, « ces rotors sont devenus très problématiques. Ils échouent environ 50 % du temps – et vous perdez un échantillon, ce qui détruit la bobine RMN. L'équipe a décidé de s'attaquer au problème, que beaucoup disaient alors impossible, de fabriquer les rotors à partir de diamant monocristallin.