Le premier microscope à résonance magnétique vise la biochimie humaine

L'imagerie par résonance magnétique est l'un des miracles de la science moderne. Il produit des images 3D non invasives du corps à l'aide de champs magnétiques et d'ondes radio inoffensifs. Et avec quelques astuces supplémentaires, il peut également révéler des détails sur la composition biochimique des tissus.

Cette astuce biochimique est appelée spectroscopie par résonance magnétique, et c'est un outil puissant pour les médecins et les chercheurs qui étudient la biochimie du corps, y compris les changements métaboliques dans les tumeurs du cerveau et des muscles.

Mais cette technique n'est pas parfaite. La résolution de la spectroscopie par résonance magnétique est limitée à des échelles de longueur d'environ 10 micromètres. Et il existe un monde d'activités chimiques et biologiques à plus petite échelle auquel les scientifiques ne peuvent tout simplement pas accéder de cette manière.

Ainsi, les médecins et les chercheurs aimeraient beaucoup disposer d'un microscope à résonance magnétique capable d'étudier les tissus corporels et les réactions biochimiques en leur sein à des échelles beaucoup plus petites.

Aujourd'hui, David Simpson et ses amis de l'Université de Melbourne en Australie disent avoir construit un microscope à résonance magnétique avec une résolution de seulement 300 nanomètres qui peut étudier les réactions biochimiques à des échelles auparavant inimaginables. Leur percée clé est un capteur de diamant exotique qui crée des images par résonance magnétique de la même manière qu'une puce CCD sensible à la lumière dans un appareil photo.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionne en plaçant un échantillon dans un champ magnétique si puissant que les noyaux atomiques s'alignent tous ; en d'autres termes, ils tournent tous de la même manière. Lorsque ces noyaux sont zappés avec des ondes radio, les noyaux deviennent excités puis émettent des ondes radio en se détendant. En étudiant le schéma des ondes radio réémises, il est possible de déterminer d'où elles viennent et ainsi de se faire une image de l'échantillon.

Les signaux révèlent également comment les atomes sont liés les uns aux autres et les processus biochimiques à l'œuvre. Mais la résolution de cette technique est limitée par la proximité du récepteur radio avec l'échantillon.

Entrez Simpson et co, qui ont construit un tout nouveau type de capteur de résonance magnétique à partir d'un film de diamant. La sauce secrète de ce capteur est un réseau d'atomes d'azote qui ont été intégrés dans un film de diamant à une profondeur d'environ sept nanomètres et à environ 10 nanomètres de distance.

Les atomes d'azote sont utiles car lorsqu'ils sont incorporés dans le diamant, ils peuvent devenir fluorescents. Et lorsqu'ils sont dans un champ magnétique, la couleur qu'ils produisent est très sensible au spin des atomes et des électrons à proximité ou, en d'autres termes, à l'environnement biochimique local.

Ainsi, dans la nouvelle machine, Simpson et co placent leur échantillon au-dessus du capteur de diamant, dans un champ magnétique puissant et le zappent avec des ondes radio. Tout changement dans l'état des noyaux à proximité provoque la fluorescence du réseau d'azote en différentes couleurs. Et le réseau d'atomes d'azote produit une sorte d'image, tout comme une puce CCD sensible à la lumière. Tout ce que Simpson et co font, c'est surveiller ce feu d'artifice pour voir ce qui se passe.

Pour mettre la nouvelle technique à l'épreuve, Simpson et co étudient le comportement des complexes hexaaqua cuivre(2+) en solution aqueuse. Le cuivre hexaaqua est présent dans de nombreuses enzymes qui l'utilisent pour incorporer le cuivre dans les métalloprotéines. Cependant, la distribution du cuivre au cours de ce processus, et le rôle qu'il joue dans la signalisation cellulaire, est mal connue car impossible à visualiser in vivo.

Simpson et co montrent comment cela peut maintenant être fait en utilisant leur nouvelle technique, qu'ils appellent la microscopie par résonance magnétique quantique. Ils montrent comment leur nouveau capteur peut révéler la distribution spatiale des ions cuivre 2+ dans des volumes de quelques attoLitres et à haute résolution. Nous démontrons une résolution d'imagerie à la limite de diffraction (~ 300 nm) avec des sensibilités de spin dans la gamme zeptomol (10-21), disent Simpson et co. Ils montrent également comment la technique révèle les réactions redox que subissent les ions. Et ils font tout cela à température ambiante.

C'est un travail impressionnant qui a des implications importantes pour l'étude future de la biochimie. Les travaux démontrent que les systèmes de détection quantique peuvent s'adapter à l'environnement brownien fluctuant rencontré dans les systèmes chimiques « réels » et aux fluctuations inhérentes à l'environnement de spin des ions subissant un réarrangement de ligand, expliquent Simpson et co.

Cela en fait un nouvel outil puissant qui pourrait changer notre façon de comprendre les processus biologiques. Simpson et co sont optimistes quant à son potentiel. La microscopie par résonance magnétique quantique est idéale pour sonder la biochimie fondamentale à l'échelle nanométrique, comme les événements de liaison sur les membranes cellulaires et la concentration intra‐cellulaire en métaux de transition dans le périplasme des cellules procaryotes.

Réf : arxiv.org/abs/1702.04418 : Microscopie par Résonance Magnétique Quantique

cacher