加工微小金刚石转子的新方法可以改善蛋白质研究

研究人员最感兴趣的许多生物材料，包括与主要疾病相关的生物材料，并不适合研究人员通常用于探测材料结构和化学性质的传统方法。

一种称为魔角旋转核磁共振(MAS-NMR)的技术已被证明非常成功，可以确定复杂分子(如某些蛋白质)的性质。但是，这种系统可实现的分辨率取决于微小转子的旋转频率，并且这些系统已经达到了转子材料施加的限制。

今天使用的大多数此类设备都依赖于由氧化钇稳定的氧化锆制成的转子，其转子像针一样薄。如果这种转子旋转得比每分钟几百万转快得多，就会分崩离析，从而限制了可以用这种系统研究的材料。但是现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法，用纯金刚石晶体制造这些微小而精确的转子，其更大的强度可以使其以更高的频率旋转。这一进展为研究各种重要分子打开了大门，包括在与阿尔茨海默病相关的淀粉样蛋白斑块中发现的分子。

麻省理工学院研究生娜塔莉·戈洛塔、扎卡里·弗雷丁、丹尼尔·班克斯和大卫·普雷斯在一篇论文中描述了这种新方法;罗伯特·格里芬教授、尼尔·格申菲尔德教授和基思·纳尔逊教授;以及麻省理工学院的其他七人。

Gershenfeld说，MAS-NMR技术“是在生物学有意义的环境中[分析]复杂生物蛋白质的首选工具。例如，样品可以在液体环境中进行分析，而不是干燥或结晶或涂层进行检查。“只有[固态]核磁共振才能在环境化学环境中做到这一点，”他说。

格里芬解释说，基本方法已经存在了几十年，包括将一个装满待研究材料的微小圆柱体放入磁场中，在那里它可以悬浮并使用气体射流(通常是氮气)旋转到高频，然后用射频脉冲敲击以确定材料的关键特性。术语“魔角”是指如果装有样品的圆柱体相对于施加的磁场以一个精确的角度(54.74度)旋转，则光谱线展宽的各种源会衰减，并且可以获得更高分辨率的光谱。

但是这些光谱的分辨率直接受到微小圆柱体或转子在破碎前旋转速度的限制。多年来，早期的版本由各种塑料制成，然后使用后来的陶瓷材料，最后是锆，“这是当今大多数转子的首选材料，”格里芬说。

这种MAS-NMR系统广泛用于生化研究，作为研究材料(包括使用其他标准实验室方法难以或不可能探测的蛋白质)的分子结构的工具，直至单个原子的水平。这些不仅包括淀粉样纤维，还包括膜蛋白和一些病毒组装体。但是，生物医学和材料科学中一些最紧迫的挑战超出了当今MAS-NMR系统的分辨率。

“随着我们发展到100千赫兹以上的旋转频率，”相当于每分钟6万转，格里芬说，“这些转子变得非常成问题。它们在大约50%的时间内失效，你会丢失一个样品，它会破坏核磁共振线圈。该团队决定解决用单晶金刚石制造转子的问题，这个问题当时许多人说这是不可能的。

即使是制造他们使用的激光系统的公司也认为这是不可能的，一个跨学科团队花了多年的工作，包括麻省理工学院比特和原子中心和化学系的学生和研究人员，以解决这个制造问题。(这次合作源于格里芬和格申菲尔德在麻省理工学院基利安奖委员会任职)。他们开发了一种基于激光的车床系统，该系统在用激光切割钻石的同时快速旋转一块钻石，基本上蒸发其外层，直到留下一个完全光滑的圆柱体，只有0.7毫米(约1/36英寸)。然后，使用相同的激光在圆柱体的中间钻一个完美的中心孔，留下一种吸管形状。

“目前还不清楚它会起作用，”Gershenfeld说，“但激光将金刚石变成石墨并驱除碳，你可以逐步做到这一点，深入钻石。

金刚石在加工过程中出现，带有纯石墨的黑色涂层，但麻省理工学院的研究人员发现，这可以通过在大约600°C(约1，100°F)下加热转子过夜来消除。结果是转子已经可以以每分钟6万转的速度旋转，这是最好的氧化锆转子的速度，并且还具有其他优点，包括极高的导热性和射频透明度。

Fredin指出，制造这种高精度加工系统所需的所有零件“都是在比特和原子中心的地下室实验室设计和制造的”。“能够亲自设计和制造所有东西，并在内部每天多次迭代是这个项目的一个关键方面，而不是必须将东西发送到外部机械车间。”

研究人员说，这些新转子现在应该可以实现更高的旋转频率，但需要开发基于氦气而不是氮气的新轴承和新系统来驱动旋转，以实现更高的速度和相应的分辨率飞跃。Golota说：“在这项技术得到证实之前，为这些小型转子开发这些氦气兼容轴承是不值得的，因为以前使用的转子将无法承受旋转速度，”最终可能高达每分钟20万转。

如此高的旋转速率在核磁共振领域之外几乎闻所未闻。Preiss说，作为一名机械工程师，“你很少会遇到转速超过数万rpm的东西。当他第一次听到这些设备的6万转/分数字时，他说，“我有点认为这是一个笑话。

Gershenfeld说，由于这些高速，任何缺陷都很容易产生不稳定性：“如果结构中存在轻微的不对称性，在这些频率下，你就注定要失败。

Golota说，在她使用当前氧化锆转子的实验中，“当转子失效时，它们会爆炸，你基本上只是回收灰尘。但是当金刚石转子发生故障时，我们能够将它们完好无损地恢复。因此，您也节省了样本，这对用户来说可能是宝贵的资源。

他们已经使用新的金刚石转子产生了小肽的碳-13和氮-15光谱，清楚地证明了新金刚石转子材料的能力，格里芬说这是过去三十年中开发的第一种新材料。“我们已经广泛使用了这样的光谱，”他说，“来确定淀粉样蛋白β1-42的结构，这是阿尔茨海默病中的有毒物种。

他说，这种材料的样品很难获得，通常只能获得少量。“我们现在有一个小型转子，希望它非常可靠，你可以放入两到三毫克的材料并获得这样的光谱数据，”他说，指着他们获得的样本数据。“这真的很令人兴奋，它将开辟许多新的研究领域。

这项工作“确实非常了不起，”核磁共振系统制造商Doty Scientific的总裁David Doty说，他没有参与这项工作。“在这个群体之外，很难找到任何认为可以在实际看到快速MAS所需的精度激光加工金刚石转子的人，”他说。

多蒂补充说，“到目前为止，他们所展示的......简直令人惊叹。如果能够取得额外的必要进展，数百名核磁共振研究人员将希望这些能够帮助他们为他们正在从事的项目获得更好的数据，从提高我们对某些疾病的理解和开发更好的药物到开发先进的电池材料。

“这项新技术有可能改变我们未来进行固体核磁共振实验的方式，在分辨率和灵敏度方面开辟前所未有的实验机会，”法国里昂高等师范学院分析科学研究所兼职主任Anne Lesage说，他也没有参与这项工作。

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