科學家開發出一種提高核磁共振光譜靈敏度的技術可快速研究蛋白質

麻省理工學院的研究人員已經開發出一種方法來顯著提高核磁共振光譜（NMR）的靈敏度，核磁共振光譜是一種用於研究多種分子結構和組成的技術，包括與阿爾茨海默氏症和其他疾病相關的蛋白質。

Arthur Amos Noyes化學教授羅伯特格里芬說，使用這種新方法，科學家們應該能夠在幾分鐘之內分析以前需要多年才能破譯的結構。這種新方法依賴於微波功率的短脈衝，可以讓研究人員確定迄今為止難以研究的許多複雜蛋白質的結構。

該研究的資深作者格里芬說：「這項技術應該開闢出目前無法進入的化學，生物，材料和醫學科學的廣泛領域。」

MIT postdoc Kong Ooi Tan是該論文的主要作者，該論文於1月18日出現在Sciences Advances上。前麻省理工學院博士後陳陽和Guinevere Mathies以及布魯克BioSpin公司的Ralph Weber也是該論文的作者。

增強靈敏度

傳統的核磁共振利用原子核的磁性來揭示含有這些核的分子的結構。通過使用與氫的核自旋和其他同位素標記的原子（例如碳或氮）相互作用的強磁場，NMR測量稱為這些核的化學位移的性狀。這些偏移對於每個原子都是獨特的，因此可以作為指紋，可以進一步利用這些指紋來揭示這些原子是如何連接的。

核磁共振的靈敏度取決於原子的極化 - 每個自旋系統中「向上」和「向下」核自旋的總體差異的測量。極化越大，可以實現的靈敏度越高。通常情況下，研究人員試圖通過施加更強的磁場來增加樣品的極化，最高可達35特斯拉。

麻省理工學院等離子體科學與融合中心的Griffin和Richard Temkin在過去25年中開發的另一種方法是使用稱為動態核極化（DNP）的技術進一步增強極化。該技術涉及將來自自由基的未配對電子的極化轉移到所研究的樣品中的氫，碳，氮或磷核。這增加了極化並使得更容易發現分子的結構特徵。

DNP通常通過使用稱為迴旋管的儀器用高頻微波連續照射樣品來進行。這將NMR靈敏度提高了約100倍。然而，這種方法需要很大的功率，並且在較高的磁場下不能很好地工作，這可以提供更高的解析度改進。

為了克服這個問題，麻省理工學院的團隊提出了一種方法來提供短脈衝的微波輻射，而不是連續的微波輻射。通過以特定頻率提供這些脈衝，它們能夠將極化強度提高200倍。這類似於傳統DNP所實現的改進，但它僅需要7％的功率，與傳統的DNP不同，可以在更高的磁場下實現。

「我們可以通過有效利用微波輻射以非常有效的方式轉移極化，」Tan說。「對於連續波照射，你只需要激發微波功率，你無法控制相位或脈衝長度。」

節約時間

研究人員表示，隨著靈敏度的提高，以前需要近110年才能分析的樣本可以在一天內進行研究。在科學進展論文中，他們通過使用它來分析標準測試分子（如甘油 - 水混合物）來證明該技術，但他們現在計劃將其用於更複雜的分子。

感興趣的一個主要領域是澱粉樣β蛋白，其積聚在阿爾茨海默病患者的大腦中。研究人員還計劃研究各種膜結合蛋白，如離子通道和視紫紅質，它們是細菌膜和人類視網膜中的光敏蛋白。由於靈敏度非常高，這種方法可以從更小的樣本量中獲得有用的數據，這可以更容易地研究難以大量獲得的蛋白質。

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