Физики сфотографировали молекулу в наномасштабе

Технология МРТ известна физикам уже очень давно, но ее настоящий потенциал начинает раскрываться только сейчас. С помощью томографа и лазерной установки ученые сфотографировали молекулу в ультравысоком разрешении. 

Аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ) в больницах отлично справляются с созданием изображений человеческого тела. На протяжении десятилетий ученые надеялись, что та же технология может быть использована для изучения гораздо более мелких вещей, к примеру отдельных молекул. Ожидания оправдались: команда исследователей из Канады и Соединенных Штатов разработала новый метод МРТ с разрешением до двух нанометров — шириной одной нити ДНК.

Чтобы изучить свойства атомных ядер, ученые объединили специальный генератор магнитного поля и лазерную установку. Изобретение можно сравнить со своего рода идеальным набором красителей, микроскопа и пинцета, которые позволяют создавать невероятно детальные изображения того, как протоны ведут себя в пространстве шириной всего в 2 нанометра. Подобная установка — универсальный инструмент для изучения характеристик молекул не только в биологических, но и любых других микроскопических системах.

Изображение в ходе магнитно-резонансной томографии получается с использованием магнитного ядерного резонанса (ЯМР). Ядра некоторых атомов поглощают и повторно излучают радиоволны в сильном магнитном поле. Понимание характеристик излучаемых радиоволн, как и их длины, дает информацию о сложном строении электрических полей вокруг атомов. В больших масштабах это позволяет получить великолепные фотографии структуры тканей, в малых — определить строение и особенности отдельных молекул. Именно поэтому ученые намерены довести МРТ до наименьшей возможной длины волны, чтобы иметь возможность изучать структуру таких маленьких объектов, как белки и полисахариды.

Согласно статье, опубликованной в журнале Physical Review X командой во главе с Раффи Будакяном (Raffi Budakian), профессором Института квантовых вычислений Ватерлоо, истинная задача работы — определение фундаментальных свойств частиц, порождаемых магнитным полем, т. н. «спинов». Итак, в чем же состоит суть исследования? Инструмент, называемый источником градиента поля фокусировки тока (CFFGS), создает сильное магнитное поле, которое быстро изменяется на короткие расстояния. Это позволило исследователям с высоким разрешением идентифицировать частоты радиоизлучения ядер и их источники. Они подвергли образцы «бомбардировке» лазерными импульсами, что дало контроль за спинами протонов в наномасштабе и позволило отделить их от влияния окружающей магнитной среды. Это не единственный способ визуализации молекул в таком масштабе, однако именно он отлично демонстрирует подлинный потенциал МРТ.

Аня Блешински Джейич (Ania Bleszynski Jayich), главный исследователь лаборатории квантовой оценки изображений в Калифорнийском университете Санта-Барбары, отмечает, что самая приятная особенность новой работы — это то, что она действительно затрагивает некоторые из ограничений других методов, работающих с нано-МРТ. Изображение, полученное в результате опытов команды Будакяна, было сделано только в одном измерении, но ученые не хотят останавливаться на этом. Раффи заявляет, что группа уже подала патент на технологию, демонстрирующую визуалицаю в трех измерениях. Из недостатков он отмечает то, что эксперимент проводился в условиях всего на 4 градуса выше абсолютного нуля — более динамичные физические процессы МРТ пока не под силу.

Что эта работа значит для науки в целом? Ее главное достоинство заключается в том, что она позволяет выйти за рамки фотографирования исключительно биомолекул. Специалисты считают, что уже в ближайшем будущем такой метод может быть крайне полезен для оптимизации полупроводников или другой микроскопической электроники. По факту, это принципиально новый способ составления характеристик объектов в малом масштабе.