ダイヤモンドローターはタンパク質研究に新たなひねりを加える可能性がある

何十年もの間、核磁気共鳴 (NMR) 分光法は、複雑な生物学的化合物の原子構造を研究するために使用される重要な技術の 1 つです。 最も一般的な技術である固体 NMR では、分析対象の物質を小さな円筒形のローターの中に入れて高周波で回転させます。 ただし、固体 NMR の大きな制限は、ローターが粉々になる前にどのくらいの速度で回転できるかであり、これはローターの材料の強度に依存します。

今回、MIT ビット・アトムセンターと MIT 化学科の研究者たちは、単一のダイヤモンド結晶からローターを製造する方法を発見しました。 これらのローターは、すでに使用されているローターよりも小型で強力です。 また、はるかに高い周波数で回転させることもできるため、分解能が向上し、サンプル取得時間が短縮されると研究著者らは述べている。 彼らの研究は、Journal of Magnetic Resonance の 2023 年 7 月号に掲載されました。

固体 NMR で使用される技術の 1 つはマジック アングル スピニングであり、これにより分解能と感度が向上します。 この技術では、シリンダーに分析対象の物質を充填した後、磁場内に浮遊させ、高周波パルスにさらしながら (通常は) 窒素ガスのジェットを使用して回転させます。 円柱は、印加された磁場に対して正確に 54.74 度の「魔法の」角度で回転します。この角度では、原子構造の最も明確な測定値を取得するのが最も簡単です。

過去数十年にわたり、マジックアングル回転 NMR 用のローターは、高性能セラミック材料であるイットリア安定化ジルコニア (YSZ) で作られてきました。 これらのローターは直径 0.7 ミリメートルと小さく、鉛筆の芯ほどの大きさで、中央にサンプルを入れるための穴があり、最大回転速度は約 111 キロヘルツ、つまり毎分 700 万回転です。 これらの速度では、YSZ ローターは約半分の確率で故障する傾向があります。具体的には、サンプルと NMR コイルとともに爆発します。 この論文の著者の一人であるザカリー・フレディン氏は、「固体NMRでは非常に長い間、あらゆる種類の問題が発生し、[そして]すべてが消えてしまい、数千ドルの損害が発生するという状況が続いていた」と語る。

単結晶ダイヤモンドからローターを作成することは、しばらくの間興味深い選択肢でした。ダイヤモンドは非常に丈夫であるだけでなく、テラヘルツ放射線の透過性がはるかに高く、熱伝導率が高いためです。 常に課題は、ダイヤモンド結晶に高アスペクト比の穴を開ける方法でした。 2019年、ビット・アトムセンターの当時の学生、プラシャント・パティル氏は、レーザー微細加工を使ってそのような穴を開ける方法を発見した。 フレディンによれば、これはかなり予期せぬ結果であり、魔法の角度で回転する NMR 用のダイヤモンド ローターを作製する道が開かれたという。

単結晶ダイヤモンドローターは、中空にすることが難しくこれまで実現できませんでした。 穴は正確でなければなりません。不完全な部分があると不安定になり、ローターの回転中に粉砕してしまう可能性があります。MIT

YSZ ローターと同様に、ダイヤモンド ローターの直径は 0.7 mm ですが、より高速に回転する可能性があります。 「理論的には、ダイヤモンド [ローター] は [YSZ ローターの速度] の 3 ～ 4 倍まで優れており、250 kHz または 300 kHz まで快適に回転できるはずです」とフレディン氏は言います。 しかし、研究者らのテストでは、駆動ガスである窒素の音速によって制限されたため、最大 124 kHz (または 850 万 RPM) までしか回転できませんでした。

「軸受システムにはかなりの摩擦があり、これがここでの最初の考慮事項です」と、MIT 化学科の大学院生でもう一人の共著者であるナタリー・ゴロタ氏は言う。 「ローターが音速よりも速く動くことは望ましくありません。音速ではかなりの乱流が発生するからです。」 ヘリウムの音速は窒素の約3倍であるため、ヘリウムガスを使用するとスピン周波数が3倍速くなる可能性があります。

しかし、研究者らが窒素とヘリウムの組み合わせ、純粋なヘリウム、そして窒素から始めてヘリウムに切り替えてローターをテストしたところ、さらに別の設計上の制限に直面しました。 ローターを支持するエアベアリングの開口部は窒素用に設計されています。 「我々に残された最大の課題は、ヘリウムガスの音速の増加を実際に活用できるように、ヘリウムと互換性のあるベアリングシステムを用意し、ローターベアリングの動的特性を変更する必要があることだと思います」とゴロタ氏は言う。 これは「ゲームチェンジャー」になるだろうと彼女は付け加えた。 「100パーセントのヘリウムガスを含むダイヤモンドローターは、非常に高解像度のデータと、サンプルに関する多くの強力な情報を提供します。」

国立衛生研究所から資金提供されたこのプロジェクトの主な原動力は、タンパク質の三次元構造をより深く理解することでした。 「例えば、アルツハイマー病やその他のアミロイド起因性疾患に関与するタンパク質の構造を理解したいと考えています」とゴロタ氏は言う。 「しかし、これを利用して、さまざまなウイルス疾患や膜タンパク質に基づく疾患を研究することもできます。」

また、困難な熱伝達環境、他の生物学的分光分析、マイクロエレクトロニクス製造など、他の潜在的な用途もあると彼女は言います。 「私たちは非常に小さなダイヤモンドの物体を制御し、正確に加工するのが非常に上手になってきたので、この点については引き続き検討中です。」