Upptäcka den molekylära strukturen i ett litet protein med hjälp av kärnmagnetisk resonans (NMR) som för närvarande kräver två saker: en miljon dollar maskin storleken av en massiv SUV, och ett stort urval av det protein som studeras.
Nu, forskare från MIT Center for Bits and Atoms rapportera utvecklingen av ett radikalt annorlunda sätt att NMR. Den nya mycket känsliga teknik, som använder sig av en mikroskopisk detektor, minskar med flera tiopotenser mängden protein behövs för att mäta molekylära struktur.
Den nya tekniken kan i slutändan leda till att spridningen av enheterna bordsskiva NMR i varje forskningslaboratorium och medicinsk kontor. Bland annat kan sådana enheter visa sig ovärderligt vid diagnostisering av olika sjukdomar.
"Det är revolutionerande", säger Shuguang Zhang, en av författarna och biträdande chef för MIT: s Centrum för bioteknik. "Det är inte bara små förbättringar."
Forskargruppen rapporterar arbetet i nätet och skriva ut upplagor av Proceedings of National Academy of Sciences i veckan i maj 14. Huvudförfattare Yael Maguire, en före detta MIT doktorand som förtjänat sin doktorsexamen för detta arbete, kommer att ge ett föredrag om det kan 16 på VII europeiska Protein symposium i Stockholm.
NMR, tillsammans med röntgenkristallografi, används ofta för att bestämma strukturen hos proteiner och andra molekyler. NMR sonder består vanligtvis av en spole som omger provet som studeras. Spolen skapar ett magnetfält som samverkar med den nukleära spinn av atomer i provet, och de interaktioner avslöja hur atomerna är anslutna.
Med dagens NMR-maskiner behöver du ca 1017 (mer än en miljon miljarder) molekyler av ett protein för att bestämma dess molekylära struktur. Vissa forskare har försökt att göra små spolar att studera mindre prover, men det har visat sig mycket svårt att skala dem till små storlekar för att analysera små prover och för att skapa hög genomströmning metoder.
Istället ledde forskning som från början syftar till att förbättra kvantberäkning MIT-forskarna till en helt annan strategi som bygger på vägledande vågor.
"Vi försökte komma bort från spolar och se om vi kunde hitta ett nytt sätt att se på det", säger Maguire, nu gästforskare vid MIT och Chief Technology Officer på Cambridge-baserade ThingMagic.
Den nya strategin börjar med teknik som liknar den Wi-Fi-antenner finns i bärbara datorer. Dessa antenner består av ett platt band av metall. Med hjälp av en laser, gjorde MIT laget en mikroskopisk defekt (en kortplats) i en sådan ledande struktur, känd som en remsa linje. I den platsen lite av magnetfältet läcker ut från linjen, skapa en enhetlig, koncentrerad magnetfält. Detta område gör att facket kan användas som ett NMR-sond, i stället för en spole.
Detektorn som beskrivs i PNAS papper är ett plastkort ungefär en tredjedel av storleken av ett kreditkort och är lätt och billigt att producera. För att få strukturell information, måste den nya detektorn fortfarande placeras i en massiv maskin bostäder en supraledande magnet, precis som spolen sonder. Men MIT-forskarna räknar med att microslot lilla provvolymen låter mycket mindre bord spektrometrar utvecklas.
Zhang sade sådant NMR-apparater kan visa sig särskilt värdefull vid diagnostisering av sjukdomar som orsakas av felveckade proteiner, såsom Alzheimers och Huntingtons eller prionsjukdomar som Cruetzfeld-Jakobs sjukdom. Det skulle också möjliggöra tidig upptäckt av glaukom och grå starr, som kan diagnostiseras genom att testa en enda tår. "Du kan upptäcka det så tidigt det blir behandlingsbara", sade han.