IRM pour les virus

L'imagerie par résonance magnétique, ou IRM, est un pilier de la recherche en médecine et en neurosciences. Il peut sonder de manière non invasive les profondeurs des tissus et donne des informations sur la présence de produits chimiques spécifiques. Mais parce que les forces magnétiques qu'il détecte sont si petites, l'IRM n'est pas très sensible : elle révèle généralement des structures à l'échelle du millimètre au submillimétrique.

Nano aiguille : Un petit échantillon de virus de la mosaïque du tabac est apposé à l'extrémité de ce porte-à-faux en silicium de taille nanométrique. Lorsque les noyaux d'hydrogène dans l'échantillon interagissent avec un aimant à proximité, le cantilever vibre légèrement. En surveillant ces vibrations par laser, les chercheurs peuvent construire une image 3D des virus. Cette technique, appelée microscopie à force de résonance magnétique, est une version massivement réduite de l'IRM.

Maintenant, les chercheurs de Centre de recherche IBM Almaden , en Californie, ont développé un scanner IRM avec une résolution 100 millions de fois supérieure à celle-ci, assez bonne pour imager des particules virales individuelles. Avec des améliorations supplémentaires, la technique pourrait un jour être utilisée pour générer des images 3D de molécules individuelles.

Le rêve d'imager une seule molécule est quelque chose qui empêche les chimistes de dormir la nuit, dit John Marohn , professeur agrégé de chimie et de biologie chimique à l'Université Cornell. Si vous aviez cet outil, il n'y aurait pas de fin aux choses que vous pourriez faire avec, et il n'y a pas de fin au bien qui en découlerait.

L'IRM utilise le fait que les noyaux de certains éléments, comme l'hydrogène, agissent comme de minuscules aimants. Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué, ces noyaux tournent autour de la direction du champ à des fréquences caractéristiques, générant de minuscules fluctuations magnétiques. Dans un scanner IRM typique, une bobine électrique détecte ces fluctuations et les utilise pour cartographier la distribution spatiale des noyaux d'hydrogène, générant une image du tissu scanné.

Parce que l'IRM est si efficace pour créer des images 3D de structures internes, les scientifiques aimeraient l'exploiter pour imager des échantillons biologiques beaucoup plus petits, tels que des protéines individuelles. Mais la bobine de détection ne se réduit pas très bien - plus la bobine est petite, plus la sensibilité est faible, laissant des échantillons plus petits et une résolution plus fine en dehors de la portée de l'IRM conventionnelle.

Le nouveau scanner développé par IBM exploite une technologie émergente appelée microscopie à force de résonance magnétique (MRFM). Le MRFM contourne les limites de l'IRM en utilisant un détecteur physique plutôt qu'électrique pour détecter les minuscules forces magnétiques générées par les noyaux en rotation.

C'est un moyen beaucoup plus sensible de détecter le magnétisme des noyaux, explique Dan Rugar, responsable des études à l'échelle nanométrique au centre de recherche IBM Almaden et chef de l'équipe qui a développé le nouvel appareil.

Rugar et ses collègues placent l'échantillon à imager sur la pointe d'un petit cantilever en silicium extrêmement sensible. Près de la pointe se trouve un très petit aimant. À l'aide d'un fil microscopique, les chercheurs génèrent un champ magnétique oscillant qui fait basculer les noyaux d'hydrogène dans l'échantillon entre l'attraction et la répulsion de l'aimant. Les vibrations physiques résultantes dans le cantilever sont détectées par un laser et utilisées pour construire une image.

IRM miniature : Un schéma du dispositif de numérisation développé par IBM. L'échantillon est placé à l'extrémité d'un cantilever en silicium ultrasensible et positionné près d'une minuscule pointe magnétique. Un microfil produit un champ magnétique oscillant qui fait basculer les noyaux d'hydrogène dans une section mince de l'échantillon - la tranche résonante - entre l'attraction et la répulsion de la pointe magnétique. En conséquence, le cantilever vibre légèrement. Ces vibrations sont mesurées à l'aide d'un inféromètre laser et traduites en une image 3-D de l'échantillon.

Le champ oscillant est réglé avec précision pour que seuls les noyaux d'un très petit éclat de l'échantillon, appelé tranche résonante, répondent. En scannant l'aimant dans un motif tridimensionnel, les chercheurs peuvent déplacer la tranche résonante dans l'échantillon. C'est cette précision qui permet à l'appareil de créer une image aussi haute résolution.

D'autres formes d'imagerie à haute résolution, telles que la microscopie à effet tunnel et la microscopie à force atomique, ne peuvent voir que la surface d'une substance. En raison de la tranche résonnante, le MRFM peut pénétrer profondément dans l'échantillon, créant une image en 3D de sa structure interne.

MRFM est apparu pour la première fois au début des années 90 et IBM a toujours été un leader dans le domaine. Dans une expérience historique en 2004, Rugar et ses collègues ont utilisé la technologie pour détecter le spin d'un seul électron. Plus récemment, ils ont généré des images d'un échantillon non biologique avec une résolution aussi bonne que 90 nanomètres, bien meilleure que l'IRM conventionnelle, mais pas assez sensible pour modéliser des structures biologiques individuelles.

Aujourd'hui, après des années d'avancées progressives et laborieuses, l'équipe de Rugar a réalisé une imagerie à résolution nanométrique d'un échantillon biologique. L'équipe a choisi d'utiliser le virus de la mosaïque du tabac robuste et bien compris comme preuve de concept et a vu des détails aussi petits que quatre nanomètres. .

C'est en fait la première fois que cette technique est utilisée sur un échantillon biologique, explique Rugar. Nous voulions montrer qu'il pouvait vraiment faire de la biologie, car après tout, c'est notre objectif global.

Cette expérience réussie ouvre la porte à un large éventail d'applications biologiques, explique Rugar. En particulier, il aimerait pouvoir imager des protéines individuelles afin de déterminer leur structure tridimensionnelle interne.

Vous avez des milliers de protéines dans votre corps qui n'ont pas de structure connue, car il n'y a aucune technique pour déterminer leur structure, explique Rugar. À l'heure actuelle, l'étalon-or pour résoudre la structure des protéines est la cristallographie aux rayons X, qui se limite aux protéines qui peuvent être cristallisées.

Le scanner nano-IRM ne serait pas soumis à cette contrainte. En théorie, avec de nouvelles améliorations de la résolution, il serait possible d'examiner les protéines dans leur état natif en les congelant rapidement. La MRFM doit être réalisée à très basse température – à peine au-dessus du zéro absolu – pour minimiser le bruit créé par les vibrations thermiques.

La vraie signification de ceci est qu'il montre que les limites de MRFM n'ont pas été atteintes, et ils sont toujours en train de faire un imageur atomique, dit Jonathan Jacky , chercheur à l'Université de Washington. Un imageur à l'échelle atomique serait l'un des instruments scientifiques les plus importants jamais créés. Il serait au même niveau que le télescope ou le microscope optique. C'est ce qui est vraiment excitant à ce sujet.

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