Bon nombre des matériaux biologiques que les chercheurs s’intéressent le plus à étudier, y compris ceux associés à des maladies majeures, ne se prêtent pas aux méthodes conventionnelles que les chercheurs utilisent généralement pour tester la structure et la chimie d’un matériau.

Une technique, appelée résonance magnétique nucléaire tournante à angle magique, ou MAS-NMR, s’est avérée très efficace pour déterminer les propriétés de molécules complexes comme certaines protéines. Mais la résolution réalisable avec de tels systèmes dépend de la fréquence de rotation des petits rotors, et ces systèmes se sont heurtés aux limites imposées par les matériaux des rotors.

La plupart de ces dispositifs utilisés aujourd’hui sont basés sur des rotors en zircone stabilisée à l’yttria, qui sont aussi minces qu’une épingle. De tels rotors s’effondrent s’ils tournent beaucoup plus vite que quelques millions de tours par minute, ce qui limite les matériaux pouvant être étudiés avec de tels systèmes. Mais maintenant, les chercheurs du MIT ont développé une méthode pour fabriquer ces minuscules rotors précis à partir de cristal de diamant pur, dont la résistance beaucoup plus grande pourrait lui permettre de tourner à des fréquences beaucoup plus élevées. Cette avancée ouvre la porte à l’étude d’une grande variété de molécules importantes, y compris celles trouvées dans les plaques amyloïdes associées à la maladie d’Alzheimer.

La nouvelle méthode est décrite dans le Magazine IRMen un papier par les étudiants diplômés du MIT Natalie Golota, Zachary Fredin, Daniel Banks et David Preiss ; les professeurs Robert Griffin, Neil Gershenfeld et Keith Nelson ; et sept autres au MIT.

La technique MAS-NMR, dit Gershenfeld, “est l’outil de choix pour [analyzing] protéines biologiques complexes dans des contextes biologiquement significatifs ». Par exemple, un échantillon pourrait être testé dans un environnement liquide au lieu d’être séché, cristallisé ou enrobé pour examen. “Seul [solid-state] La RMN le fait dans l’environnement chimique ambiant », dit-il.

La méthode de base existe depuis des décennies, explique Griffin, et consiste à placer un petit cylindre rempli du matériau à étudier dans un champ magnétique où il peut être suspendu et tourné à haute fréquence à l’aide de jets de gaz, généralement de l’azote, puis soufflé loin. . avec des impulsions de radiofréquence pour déterminer les principales propriétés des matériaux. Le terme “angle magique” fait référence au fait que si le cylindre contenant l’échantillon est tourné d’un angle précis (54,74 degrés) par rapport au champ magnétique appliqué, diverses sources de grossissement des raies spectrales sont atténuées et l’on obtient un spectre de plus haute résolution. c’est possible.

Clip monochrome animé de l'intérieur d'un diamant en rotation alors que le trou au centre brille et devient plus rond.  Des lignes rouges ressemblant à une lunette de tir sont superposées sur l'animation.
Cela montre le processus de fabrication d’un cylindre creux à partir d’un bloc de diamant. Le diamant tourne tandis qu’un faisceau laser brûle ses couches externes et son intérieur.

Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Mais la résolution de ces spectres est directement limitée par la vitesse à laquelle les minuscules cylindres, ou rotors, peuvent tourner avant de se briser. Au fil des ans, les premières versions ont été fabriquées à partir de divers plastiques, puis de matériaux céramiques et enfin de zirconium, “qui est le matériau préféré de la plupart des rotors de nos jours”, explique Griffin.

Ces systèmes MAS-NMR sont largement utilisés dans la recherche biochimique comme outil pour étudier la structure moléculaire, jusqu’au niveau des atomes individuels, de matériaux comprenant des protéines difficiles ou impossibles à tester avec d’autres méthodes de laboratoire standard. Ceux-ci incluent non seulement les fibrilles amyloïdes, mais également les protéines membranaires et certains assemblages viraux. Mais certains des défis les plus urgents en biomédecine et en science des matériaux se situent au-delà de la résolution des systèmes MAS-NMR actuels.

“Alors que nous nous dirigeons vers des vitesses de rotation supérieures à 100 kilohertz”, équivalant à 6 millions de tours par minute, dit Griffin, “ces rotors sont devenus très problématiques. Ils échouent environ 50% du temps, et vous perdez un échantillon et détruisez la bobine RMN. L’équipe a décidé de s’attaquer au problème, déclaré par beaucoup à l’époque comme impossible, de fabriquer les rotors à partir d’un diamant monocristallin.

Même l’entreprise qui a fabriqué le système laser qu’ils ont utilisé pensait que cela ne pouvait pas être fait, et une équipe interdisciplinaire, impliquant des étudiants et des chercheurs du MIT Center for Bits and Atoms et du Département de chimie, a eu besoin d’années de travail pour résoudre cette question. .fabrication. problème. (La collaboration découle de Griffin et Gershenfeld siégeant au comité du prix Killian du MIT.) Ils ont développé une sorte de système de tour à base de laser qui fait tourner rapidement un morceau de diamant tout en le frappant avec le laser, vaporisant essentiellement ses couches externes jusqu’à ce que vous vous retrouviez avec un cylindre parfaitement lisse, d’à peine 0,7 millimètre de large (environ 1/36 pouce ). Le même laser est ensuite utilisé pour percer un trou parfaitement centré au centre du cylindre, laissant une forme de paille.

“Il n’est pas évident que cela fonctionnerait”, déclare Gershenfeld, “mais le laser transforme le diamant en graphite et élimine le carbone, et vous pouvez le faire progressivement pour forer profondément dans le diamant.”

Le diamant émerge du processus d’usinage avec une couche noire de graphite pur, mais les chercheurs du MIT ont découvert que cela pouvait être éliminé en chauffant le rotor pendant la nuit à environ 600 degrés Celsius (environ 1 100 degrés Fahrenheit). Le résultat est un rotor qui peut déjà tourner à 6 millions de tours par minute, la vitesse des meilleurs rotors en zircone, et qui possède également d’autres caractéristiques avantageuses, notamment une conductivité thermique extrêmement élevée et une transparence aux radiofréquences.

Fredin note que toutes les pièces nécessaires à la fabrication de ce système d’usinage de haute précision “ont toutes été conçues et fabriquées ici” dans un laboratoire souterrain du Center for Bits and Atoms. “Être capable de tout concevoir et fabriquer physiquement et de le réitérer plusieurs fois par jour en interne était un aspect crucial de ce projet, plutôt que d’avoir à envoyer les choses à des ateliers d’usinage extérieurs.”

Selon les chercheurs, il devrait maintenant être possible d’atteindre des vitesses de rotation beaucoup plus élevées avec ces nouveaux rotors, mais cela nécessitera le développement de nouveaux roulements et de nouveaux systèmes basés sur l’hélium plutôt que sur l’azote pour entraîner la rotation, afin d’atteindre des vitesses plus élevées. et le saut de résolution correspondant. “Cela n’a jamais valu la peine de développer ces roulements compatibles avec l’hélium pour ces petits rotors jusqu’à ce que cette technologie soit essayée, lorsque les rotors utilisés auparavant ne pouvaient pas gérer les vitesses de rotation”, qui pouvaient atteindre 20 millions. tours par minute, dit Golota.

Des taux de roulement aussi élevés sont presque inconnus en dehors du domaine de la RMN. Preiss dit qu’en tant qu’ingénieur en mécanique, “il est rare que vous rencontriez quelque chose qui tourne à des dizaines de milliers de tours par minute”. Lorsqu’il a entendu pour la première fois le chiffre de 6 millions de tours par minute pour ces appareils, il a dit : « J’ai pensé que c’était une blague.

En raison de ces vitesses élevées, dit Gershenfeld, des instabilités peuvent facilement résulter de n’importe quelle imperfection : “S’il y a même une légère asymétrie dans la structure, à ces fréquences, vous êtes condamné.”

Golota dit que dans ses expériences actuelles avec des rotors en zircone, « lorsque les rotors tombent en panne, ils explosent et, en gros, seule la poussière est récupérée. Mais lorsque les rotors en diamant sont tombés en panne, nous avons pu les récupérer intacts. Ainsi, vous enregistrez également l’échantillon, qui peut être une ressource inestimable pour l’utilisateur.”

Ils ont déjà utilisé le nouveau rotor en diamant pour produire les spectres de carbone 13 et d’azote 15 d’un petit peptide, démontrant clairement les capacités du nouveau matériau de rotor en diamant, qui, selon Griffin, est le premier nouveau matériau pour de tels rotors qui se développera. au cours des trois dernières décennies. “Nous avons largement utilisé des spectres comme ceux-ci”, dit-il, “pour déterminer la structure de l’amyloïde bêta 1-42, qui est une espèce toxique dans la maladie d’Alzheimer.” Des échantillons de ce matériel sont difficiles à obtenir et ne peuvent généralement être obtenus qu’en petites quantités, dit-il. “Nous avons maintenant un petit rotor qui, espérons-le, sera très fiable dans lequel vous pourrez mettre deux ou trois milligrammes de matériau et obtenir des données spectrales comme celle-ci”, dit-il, pointant vers les exemples de données qu’ils ont obtenus. “C’est vraiment excitant et cela ouvrira beaucoup de nouveaux domaines de recherche.”

Ce travail “est vraiment remarquable”, déclare David Doty, président de Doty Scientific, un fabricant de systèmes RMN, qui n’a pas été impliqué dans ce travail. “Il aurait été très difficile de trouver quelqu’un en dehors de ce groupe qui aurait pensé qu’il était possible d’usiner au laser des rotors en diamant avec la précision requise pour le MAS rapide, avant de le voir fonctionner”, dit-il.

Doty ajoute : « Ce qu’ils ont montré jusqu’à présent… est incroyable. Si les progrès supplémentaires nécessaires peuvent être réalisés, des centaines de chercheurs en RMN voudront que cela les aide à obtenir de meilleures données pour les projets sur lesquels ils travaillent, de l’amélioration de notre compréhension de certaines maladies et du développement de meilleurs médicaments au développement de matériaux de batterie avancés.” .

“Esta nueva tecnología tiene el potencial de cambiar las reglas del juego en la forma en que llevaremos a cabo experimentos de RMN de estado sólido en el futuro, abriendo oportunidades experimentales sin precedentes en términos de resolución y sensibilidad”, dice Anne Lesage, directora adjunta de l’Institut. de sciences analytiques à l’Ecole Normale Supérieure de Lyon, France, qui n’était pas non plus associé à ce travail.

L’équipe de recherche comprenait également Salima Bahri, Daniel Banks, Prashant Patil, William Langford, Camron Blackburn, Erik Strand, Brian Michael et Blake Dastrup, tous du MIT. Les travaux ont été soutenus par les National Institutes of Health des États-Unis, le CBA Consortia Fund, le US Department of Energy et la US National Science Foundation.