Une nouvelle façon d'usiner de minuscules rotors en diamant pourrait améliorer les études sur les protéines

Sep 07, 2023

24 mai 2023

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par David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology

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

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

La plupart de ces dispositifs utilisés aujourd'hui reposent 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, des 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 Journal of Magnetic Resonance, dans un article rédigé 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 [analyser] des protéines biologiques complexes dans des environnements biologiquement significatifs". Par exemple, un échantillon pourrait être analysé dans un environnement liquide au lieu d'être séché ou cristallisé ou enrobé pour examen. "Seule la RMN [à l'état solide] le fait dans l'environnement chimique ambiant", dit-il.

La méthode de base existe depuis des décennies, explique Griffin, et consiste à placer un minuscule cylindre rempli du matériau à étudier dans un champ magnétique où il peut être suspendu et fait tourner à haute fréquence à l'aide de jets de gaz, généralement de l'azote, puis zappé avec des impulsions radiofréquence pour déterminer les propriétés clés du matériau. Le terme "angle magique" fait référence au fait que si le cylindre contenant l'échantillon tourne à un angle précis (54,74 degrés) par rapport au champ magnétique appliqué, diverses sources d'élargissement des raies spectrales sont atténuées et un spectre de résolution beaucoup plus élevée est possible.

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 plus tard des matériaux céramiques ont été utilisés, et enfin du zirconium, "qui est le matériau de choix dont la plupart des rotors sont faits de nos jours", dit 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, y compris des protéines difficiles ou impossibles à sonder à l'aide d'autres méthodes de laboratoire standard. Ceux-ci incluent non seulement les fibrilles amyloïdes, mais aussi les protéines membranaires et certains assemblages viraux. Mais certains des défis les plus urgents en science biomédicale et en science des matériaux se situent juste au-delà de la résolution des systèmes MAS-NMR d'aujourd'hui.

"Au fur et à mesure que nous progressions vers des fréquences 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 cela détruit la bobine RMN." L'équipe a décidé de s'attaquer au problème, que beaucoup disaient à l'époque impossible, de fabriquer les rotors en diamant monocristallin.

Même l'entreprise qui fabriquait le système laser qu'ils utilisaient pensait que cela ne pouvait pas être fait, et il a fallu des années de travail à une équipe interdisciplinaire, impliquant des étudiants et des chercheurs du Center for Bits and Atoms du MIT et du Département de chimie, pour résoudre ce problème de fabrication. (La collaboration est née 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 zappant avec le laser, vaporisant essentiellement ses couches externes jusqu'à ce qu'il reste un cylindre parfaitement lisse, d'à peine 0,7 millimètre de diamètre (environ 1/36 de pouce). Ensuite, le même laser est utilisé pour percer un trou parfaitement centré au milieu du cylindre, laissant une sorte de forme de paille à boire.

"Ce n'est pas évident que cela fonctionnerait", dit Gershenfeld, "mais le laser transforme le diamant en graphite et chasse le carbone, et vous pouvez le faire progressivement pour forer profondément dans le diamant."

Le diamant émerge du processus d'usinage avec un revêtement noir 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 ° C (environ 1 100 ° F). Le résultat est un rotor qui peut déjà tourner à 6 millions de tours par minute, la vitesse des meilleurs rotors en zircone, et possède également d'autres caractéristiques avantageuses, notamment une conductivité thermique extrêmement élevée et une transparence aux radiofréquences.

Fredin souligne 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 au sous-sol du Centre for Bits and Atoms. "Pouvoir concevoir et fabriquer physiquement tout et le répéter plusieurs fois par jour en interne était un aspect crucial de ce projet, au lieu d'avoir à envoyer des choses à des ateliers d'usinage extérieurs."

Atteindre des fréquences de rotation beaucoup plus élevées devrait désormais être possible avec ces nouveaux rotors, selon les chercheurs, mais 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 les vitesses accrues 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 ait fait ses preuves, lorsque les rotors utilisés auparavant ne seraient pas capables de supporter les vitesses de rotation", qui pourraient finir par atteindre 20 millions de tours par minute, dit Golota.

Des taux de rotation 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 tournant à plus de 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 déclaré: "J'ai en quelque sorte 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 utilisant des rotors en zircone actuels, "lorsque les rotors tombent en panne, ils explosent et vous récupérez essentiellement la poussière. Mais lorsque les rotors en diamant tombent en panne, nous avons pu les récupérer intacts. Ainsi, vous enregistrez également l'échantillon, ce 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 à être développé 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 celles-ci", dit-il, pointant vers les exemples de données qu'ils ont obtenus. "C'est vraiment excitant et ça va ouvrir 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 nécessaire pour le fast-MAS, avant de le voir fonctionner", dit-il.

Doty ajoute : "Ce qu'ils ont démontré jusqu'à présent... n'est rien de moins qu'étonnant. Si les progrès supplémentaires nécessaires peuvent être réalisés, des centaines de chercheurs en RMN voudront que ceux-ci les aident 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".

"Cette nouvelle technologie a le potentiel de changer la donne dans la manière dont nous réaliserons les expériences de RMN à l'état solide à l'avenir, ouvrant des opportunités expérimentales sans précédent en termes de résolution et de sensibilité", déclare Anne Lesage, directrice adjointe de l'institut des sciences analytiques à l'Ecole Normale Supérieure de Lyon, France, qui n'était pas non plus associée à ces travaux.

Plus d'information: Natalie C. Golota et al, rotors en diamant, Journal of Magnetic Resonance (2023). DOI : 10.1016/j.jmr.2023.107475

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.