Onderzoekers maken een microscoop met een resolutie van 100 miljoen keer fijner dan de huidige MRI

Onderzoekers maken een microscoop met een resolutie van 100 miljoen keer fijner dan de huidige MRI

Anonim
Image

- Wetenschappers van IBM Research hebben, in samenwerking met het Center for Probing the Nanoscale van Stanford University, MRI (Magnetic Resonance Imaging) aangetoond met een volumeresolutie die 100 miljoen keer zo fijn is als conventionele MRI.

Dit resultaat, vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), duidt op een belangrijke stap voorwaarts in tools voor moleculaire biologie en nanotechnologie door het aanbieden van de mogelijkheid om complexe 3D-structuren op nanoschaal te bestuderen.

Door MRI uit te breiden tot zo'n fijne resolutie, hebben de wetenschappers een microscoop gecreëerd die bij verdere ontwikkeling uiteindelijk krachtig genoeg kan zijn om de structuur en interacties van eiwitten te ontrafelen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor nieuwe ontwikkelingen in gepersonaliseerde gezondheidszorg en gerichte geneeskunde. Deze prestatie heeft invloed op de studie van materialen - van eiwitten tot geïntegreerde schakelingen - waarvoor een gedetailleerd begrip van de atomaire structuur essentieel is.

"Deze technologie zal een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we kijken naar virussen, bacteriën, eiwitten en andere biologische elementen", aldus IBM Fellow Mark Dean, vice-president strategie en operaties voor IBM Research.

Deze vooruitgang werd mogelijk gemaakt door een techniek genaamd magnetische resonantiekrachtmicroscopie (MRFM), die afhankelijk is van het detecteren van ultrakleine magnetische krachten. Naast de hoge resolutie heeft de beeldvormingstechniek de verdere voordelen dat het chemisch specifiek is, onder oppervlakken kan "zien" en, in tegenstelling tot elektronenmicroscopie, niet destructief is voor gevoelige biologische materialen.

Al meer dan tien jaar maken IBM-wetenschappers baanbrekende vorderingen in

MRFM. Nu heeft het door IBM geleide team de gevoeligheid van MRFM dramatisch verhoogd en gecombineerd met een geavanceerde 3D-beeldreconstructietechniek. Hierdoor konden ze voor het eerst MRI demonstreren op biologische objecten op nanometerschaal. De techniek werd toegepast op een monster tabaksmozaïekvirus en bereikte een resolutie tot vier nanometer. (Eén nanometer is een miljardste meter; een tabaksmozaïekvirus is 18 nanometer breed.)

"MRI staat bekend als een krachtig hulpmiddel voor medische beeldvorming, maar het vermogen ervan voor microscopie is altijd zeer beperkt geweest", zegt Dan Rugar, manager van nanoschaalstudies, IBM Research. "Onze hoop is dat nano-MRI ons uiteindelijk in staat zal stellen om de interne structuur van individuele eiwitmoleculen en moleculaire complexen rechtstreeks in beeld te brengen, wat essentieel is voor het begrijpen van biologische functies."

Het nieuwe apparaat werkt niet zoals een conventionele MRI-scanner, die gradiënt- en beeldvormingsspoelen gebruikt. In plaats daarvan gebruiken de onderzoekers MRFM om kleine magnetische krachten te detecteren terwijl het monster op een microscopische cantilever zit - in wezen een klein stukje silicium in de vorm van een duikplank. Laserinterferometrie volgt de beweging van de cantilever, die enigszins trilt wanneer magnetische spins in de waterstofatomen van het monster interageren met een nabijgelegen nanoscopische magnetische tip. De tip wordt gescand in drie dimensies en de vrijdragende trillingen worden geanalyseerd om een ​​3D-beeld te maken.

Image

IBM Research heeft een vooraanstaande geschiedenis in het ontwikkelen van microscopen voor beeldvorming en wetenschap op nanoschaal. IBM-onderzoekers Gerd Binnig en Heinrich Rohrer ontvingen de 1986 Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun uitvinding van de scanning tunneling microscoop, die individuele atomen kan afbeelden op elektrisch geleidende oppervlakken.

Bovendien heeft IBM een track record dat dateert uit de jaren 1950 van het verbeteren van de gezondheidszorg door wetenschappelijke prestaties en samenwerking met bedrijven in de gezondheidszorg. In het afgelopen decennium heeft IBM een nationaal digitaal mammografie-archief ontwikkeld met de Universiteit van Pennsylvania; ontwikkelde een deelnemerssysteem voor klinische proeven met de Mayo Clinic; samengewerkt met Scripps om te begrijpen hoe griepvirussen muteren en behandelingen proactief ontwikkelen; samengewerkt met Europese universiteiten om betere methoden te ontwikkelen om te beslissen over antiretrovirale therapieën voor HIV; lanceerde het World Community Grid, dat projecten heeft uitgevoerd op het gebied van kanker, aids, knokkelkoorts; en veel meer.

Aangeboden door IBM