Los rotores de diamante podrían dar un nuevo giro a los estudios de proteínas

Durante décadas, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) ha sido una de las tecnologías clave utilizadas para estudiar las estructuras atómicas de compuestos biológicos complejos. La técnica más popular, la RMN de estado sólido, implica poner el material a analizar dentro de pequeños rotores cilíndricos que luego se hacen girar a altas frecuencias. Sin embargo, la gran limitación de la RMN de estado sólido es qué tan rápido pueden girar los rotores antes de romperse, lo que depende de la resistencia del material del rotor.

Ahora, investigadores del Centro de Bits y Átomos del MIT y del Departamento de Química del MIT encontraron una manera de fabricar rotores a partir de un solo cristal de diamante. Estos rotores son más pequeños y más fuertes que los rotores que ya están en uso. También se pueden girar a frecuencias mucho más altas, lo que da como resultado un aumento en la resolución y una disminución en el tiempo de adquisición de la muestra, dicen los autores del estudio. Su investigación se publicó en la edición de julio de 2023 de Journal of Magnetic Resonance.

Una de las técnicas utilizadas con RMN de estado sólido es el giro de ángulo mágico, que proporciona una resolución y sensibilidad mejoradas. En esta técnica, una vez que el cilindro se llena con el material que se analiza, se suspende en un campo magnético y se hace girar usando chorros de (generalmente) gas nitrógeno mientras se somete a pulsos de radiofrecuencia. El cilindro gira en el ángulo "mágico" de exactamente 54,74 grados en relación con el campo magnético aplicado, ángulo en el que es más fácil obtener las medidas más claras de la estructura atómica.

Durante las últimas dos décadas, los rotores para RMN de giro de ángulo mágico se han fabricado con zirconio estabilizado con itria (YSZ), un material cerámico de alto rendimiento. Estos rotores, que son tan pequeños como 0,7 milímetros de diámetro, aproximadamente del tamaño de la mina de un lápiz, con un orificio en el medio para la muestra, tienen una velocidad de giro máxima de aproximadamente 111 kilohercios, o 7 millones de rotaciones por minuto. A estas velocidades, los rotores YSZ tienden a fallar aproximadamente la mitad del tiempo; específicamente, explotan, junto con la muestra y la bobina NMR. "Ha sido el caso en RMN de estado sólido durante mucho tiempo", dice Zachary Fredin, uno de los autores del artículo, "que cualquier tipo de problema, [y] todo desaparece y causa miles de dólares en daños".

La creación de rotores a partir de un diamante monocristalino ha sido una opción intrigante durante un tiempo, porque el diamante no solo es muy resistente, sino que también es mucho más permeable a la radiación de terahercios y tiene una gran conductividad térmica. El desafío siempre ha sido cómo perforar orificios de alta relación de aspecto a través del cristal de diamante. En 2019, un entonces estudiante del Centro de Bits y Átomos, Prashant Patil, descubrió un método para perforar tales agujeros utilizando micromecanizado láser. Esto, dice Fredin, fue un resultado bastante inesperado y allanó el camino para fabricar rotores de diamante para RMN de giro de ángulo mágico.

Los rotores monocristalinos de diamante han sido, hasta ahora, inviables debido a la dificultad de vaciarlos. El orificio debe ser preciso: cualquier imperfección puede provocar inestabilidades que destrozarán el rotor mientras gira. MIT

Al igual que los rotores YSZ, los rotores de diamante tienen un diámetro de 0,7 mm, pero potencialmente pueden girar mucho más rápido. "Teóricamente, los [rotores] de diamante deberían ser buenos hasta tres o cuatro veces [la velocidad de los rotores YSZ], y deberíamos poder girar cómodamente a 250 o 300 kHz", dice Fredin. Sin embargo, en sus pruebas, los investigadores solo pudieron girar hasta 124 kHz (o 8,5 millones de RPM), ya que estaban limitados por la velocidad sónica del nitrógeno, el gas impulsor.

"Hay una fricción considerable en el sistema de cojinetes, que es la primera consideración aquí", dice Natalie Golota, estudiante graduada en el departamento de química del MIT y otra coautora. "No queremos que el rotor vaya más rápido que la velocidad del sonido, ya que [a esa velocidad] hay una turbulencia significativa". El uso de gas helio podría hacer que la frecuencia de giro sea tres veces más rápida, ya que el helio tiene una velocidad sónica que es aproximadamente tres veces mayor que la del nitrógeno.

Pero cuando los investigadores probaron sus rotores con una combinación de nitrógeno y helio, helio puro y comenzando con nitrógeno y cambiando a helio, se encontraron con otra limitación de diseño. Las aberturas en los cojinetes de aire que soportan el rotor están diseñadas para nitrógeno. "Creo que nuestro mayor desafío pendiente sería que necesitamos tener sistemas de cojinetes compatibles con helio y cambiar la dinámica de los cojinetes del rotor para que podamos aprovechar la mayor velocidad del sonido del gas helio", dice Golota. Esto sería un "cambio de juego", agrega. "Un rotor de diamante con 100 por ciento de gas helio... también puede brindarnos datos de muy alta resolución y mucha información poderosa sobre la muestra".

La principal fuerza impulsora detrás de este proyecto, financiado por los Institutos Nacionales de Salud, fue comprender mejor la estructura tridimensional de las proteínas. "Queremos comprender, por ejemplo, la estructura de las proteínas involucradas en la enfermedad de Alzheimer y otras enfermedades provocadas por el amiloide", dice Golota. "Pero también podemos usar esto para estudiar diferentes enfermedades virales y trastornos basados ​​en proteínas de membrana".

También hay otras aplicaciones potenciales, dice, como en entornos difíciles de transferencia de calor, otras espectroscopias biológicas, fabricación microelectrónica, etc. "Nos hemos vuelto muy buenos en tener control sobre objetos de diamante muy pequeños y mecanizarlos con precisión, por lo que definitivamente todavía estamos investigando esto".