Diamantrotoren könnten Proteinstudien eine neue Wendung geben

Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) ist seit Jahrzehnten eine der Schlüsseltechnologien zur Untersuchung der atomaren Strukturen komplexer biologischer Verbindungen. Bei der beliebtesten Technik, der Festkörper-NMR, wird das zu analysierende Material in winzige zylindrische Rotoren gegeben, die dann bei hohen Frequenzen gedreht werden. Die große Einschränkung der Festkörper-NMR besteht jedoch darin, wie schnell sich die Rotoren drehen können, bevor sie zerbrechen, was von der Festigkeit des Rotormaterials abhängt.

Jetzt haben Forscher des MIT-Zentrums für Bits und Atome und der MIT-Abteilung für Chemie einen Weg gefunden, Rotoren aus einem einzelnen Diamantkristall herzustellen. Diese Rotoren sind kleiner und stärker als die bereits verwendeten Rotoren. Sie können auch bei weitaus höheren Frequenzen gedreht werden, was zu einer höheren Auflösung und einer Verkürzung der Probenaufnahmezeit führt, sagen die Autoren der Studie. Ihre Forschung wurde in der Juli-Ausgabe 2023 des Journal of Magnetic Resonance veröffentlicht.

Eine der bei der Festkörper-NMR verwendeten Techniken ist das Drehen im magischen Winkel, das eine verbesserte Auflösung und Empfindlichkeit bietet. Bei dieser Technik wird der Zylinder, nachdem er mit dem zu analysierenden Material gefüllt ist, in einem Magnetfeld aufgehängt und mithilfe von (normalerweise) Stickstoffgasstrahlen gedreht, während er Hochfrequenzimpulsen ausgesetzt wird. Der Zylinder dreht sich im „magischen“ Winkel von genau 54,74 Grad relativ zum angelegten Magnetfeld. Bei diesem Winkel lassen sich die klarsten Messungen der Atomstruktur am einfachsten erhalten.

In den letzten Jahrzehnten wurden Rotoren für die Magic-Angle-Spinning-NMR aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) hergestellt, einem Hochleistungskeramikmaterial. Diese Rotoren, die einen Durchmesser von nur 0,7 Millimetern haben – etwa so groß wie eine Bleistiftmine, mit einem Loch in der Mitte für die Probe – haben eine maximale Rotationsgeschwindigkeit von etwa 111 Kilohertz oder 7 Millionen Umdrehungen pro Minute. Bei diesen Geschwindigkeiten neigen die YSZ-Rotoren etwa in der Hälfte der Fälle dazu, auszufallen – genauer gesagt, sie explodieren zusammen mit der Probe und der NMR-Spule. „In der Festkörper-NMR ist es schon sehr lange so“, sagt Zachary Fredin, einer der Autoren des Artikels, „dass jedes Problem und alles verschwindet und Tausende von Dollar Schaden anrichtet.“

Die Herstellung von Rotoren aus einkristallinem Diamant ist seit einiger Zeit eine faszinierende Option, da Diamant nicht nur sehr zäh ist, sondern auch weitaus durchlässiger für Terahertz-Strahlung ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Herausforderung bestand schon immer darin, Löcher mit hohem Aspektverhältnis durch den Diamantkristall zu bohren. Im Jahr 2019 entdeckte Prashant Patil, ein damaliger Student am Center for Bits and Atoms, eine Methode zum Bohren solcher Löcher mittels Lasermikrobearbeitung. Laut Fredin war dies ein ziemlich unerwartetes Ergebnis und ebnete den Weg für die Herstellung von Diamantrotoren für die NMR mit Drehung im magischen Winkel.

Rotoren aus einkristallinem Diamant waren bisher aufgrund der Schwierigkeit, sie auszuhöhlen, nicht realisierbar. Das Loch muss präzise sein – etwaige Unvollkommenheiten können zu Instabilitäten führen, die den Rotor zerbrechen lassen, während er sich dreht.MIT

Die Diamantrotoren haben wie die YSZ-Rotoren einen Durchmesser von 0,7 mm, können sich aber potenziell deutlich schneller drehen. „Theoretisch sollten Diamantrotoren bis zum Drei- oder Vierfachen der Geschwindigkeit von YSZ-Rotoren funktionieren, und wir sollten problemlos mit 250 oder 300 kHz drehen können“, sagt Fredin. In ihren Tests konnten die Forscher jedoch nur bis zu 124 kHz (oder 8,5 Millionen U/min) rotieren, da sie durch die Schallgeschwindigkeit des Antriebsgases Stickstoff begrenzt waren.

„Es gibt erhebliche Reibung im Lagersystem, was hier die erste Überlegung ist“, sagt Natalie Golota, eine Doktorandin in der Chemieabteilung des MIT und eine weitere Co-Autorin. „Wir wollen nicht, dass der Rotor schneller als die Schallgeschwindigkeit läuft, da es bei dieser Geschwindigkeit zu erheblichen Turbulenzen kommt.“ Durch die Verwendung von Heliumgas könnte die Spinfrequenz dreimal so hoch werden, da Helium eine Schallgeschwindigkeit hat, die etwa dreimal so hoch ist wie die von Stickstoff.

Doch als die Forscher ihre Rotoren mit einer Kombination aus Stickstoff und Helium, reinem Helium, testeten und mit Stickstoff begannen und dann auf Helium umstiegen, stießen sie auf eine weitere Designbeschränkung. Die Öffnungen in den Luftlagern, die den Rotor tragen, sind für Stickstoff ausgelegt. „Ich denke, unsere größte verbleibende Herausforderung wäre, dass wir Helium-kompatible Lagersysteme haben und die Rotorlagerdynamik ändern müssen, damit wir tatsächlich von der erhöhten Schallgeschwindigkeit von Heliumgas profitieren können“, sagt Golota. Dies wäre ein „Game Changer“, fügt sie hinzu. „Ein Diamantrotor mit 100 Prozent Heliumgas … kann uns auch Daten mit sehr hoher Auflösung und viele aussagekräftige Informationen über die Probe liefern.“

Die Hauptantriebskraft dieses von den National Institutes of Health finanzierten Projekts bestand darin, die dreidimensionale Struktur von Proteinen besser zu verstehen. „Wir wollen zum Beispiel die Struktur von Proteinen verstehen, die an der Alzheimer-Krankheit und anderen durch Amyloid verursachten Krankheiten beteiligt sind“, sagt Golota. „Aber wir können damit auch verschiedene Viruserkrankungen und Membranprotein-basierte Störungen untersuchen.“

Es gebe auch andere potenzielle Anwendungen, sagt sie, etwa in schwierigen Wärmeübertragungsumgebungen, anderen biologischen Spektroskopien, mikroelektronischer Fertigung und so weiter. „Wir sind sehr gut darin geworden, sehr kleine Diamantobjekte zu kontrollieren und sie präzise zu bearbeiten, daher beschäftigen wir uns definitiv noch damit.“