Квантовое нано-сканирование живых организмов впервые стало реальностью
Исследователи из Гарвардского университета в рамках программы DARPA QuASAR впервые продемонстрировали визуализацию магнитных структур внутри живых клеток при комнатной температуре и давлении. Разрешение метода составило около 400 нанометров.
Метод на основе дефектов алмаза
Техника, описанная в журнале Nature ("Optical magnetic imaging of living cells"), использует дефекты в алмазе — азотно-вакансионные (NV) центры. Они действуют как высокоточные зонды для измерения магнитных полей, создаваемых живыми магнитотактическими бактериями (организмами с магнитными наночастицами).
Используя массив этих NV-центров, инженерно созданных в алмазной пластине, исследователи смогли локализовать магнитные структуры в каждой бактерии и построить изображения их магнитных полей.
Потенциальные применения
- Наблюдение за процессами в клетках: Техника в принципе позволяет детально наблюдать в реальном времени внутренние клеточные процессы (гибель, эволюцию, деление клеток, влияние болезней).
- Изучение формирования наночастиц: Измерения применимы для изучения формирования магнитных наночастиц в других организмах. Это важно для контрастирования в МРТ и связано с нейродегенеративными расстройствами.
- Исследование навигации: Формирование магнитных наночастиц предложено в качестве механизма магнитной навигации у высших организмов.
Прорыв в нано-МРТ
В отдельном, но связанном достижении две другие команды QuASAR (Университет Штутгарта и Исследовательский центр IBM Almaden) разработали нанометровый магнитометр для МРТ.
- Новая технология: Метод, названный нано-МРТ, использует одиночный NV-центр вблизи поверхности алмазной пластины для измерения сигналов ядерного магнитного резонанса.
- Рекордная чувствительность: Разрешение позволяет измерить всего 10 000 протонов в объеме 125 кубических нанометров, что приближается к уровню отдельных белковых молекул. Ранее предел разрешения МРТ составлял несколько микрометров.
- Работа при комнатной температуре: Технология устраняет необходимость в дорогом криогенном оборудовании.
- Описана в Science: Работа опубликована в выпуске от 1 февраля 2013 года в статьях "Nanoscale Nuclear Magnetic Resonance with a Nitrogen-Vacancy Spin Sensor" и "Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy on a (5-Nanometer)3 Sample Volume".
Будущие медицинские перспективы нано-МРТ
- Разработка лекарств: Упростит оценку ингибиторных препаратов против вирусов за счет детального 3D-картирования биомолекул с идентификацией элементов.
- Изучение белков: Углубит понимание структуры белков.
- Нейробиология: Позволит измерять магнитное поле активирующихся нейронов.
Комментарий и дальнейшие шаги
"В QuASAR мы создаем датчики, использующие предельную точность атомной физики. Мы надеемся, что эти новые инструменты измерений предоставят новые возможности научному и оперативному сообществам", — заявил Джамиль Або-Шаер, руководитель программы DARPA.
Будущая работа может включать:
- Повышение чувствительности устройств.
- Внедрение наноалмазов с NV-центрами в живые клетки для in vitro исследований магнитных полей и температуры.
- Визуализацию магнитных полей меченых биомолекул с помощью NV-центров.