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Polarizzazione nucleare dinamica: un'intervista con il professor Robert Griffin, Massachusetts Institute of Technology

Professor Robert Griffin
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Potete fare una breve introduzione a voi stesso ed il vostro lavoro su polarizzazione nucleare dinamica?

Sono il professor Robert Griffin ed insegno alla chimica fisica a Massachusetts Institute of Technology. Ora stiamo lavorando alla polarizzazione nucleare (DNP) dinamica per quasi 30 anni, dal 1986, quando abbiamo ricevuto il nostro primo NIH Grant per costruire la strumentazione stata necessaria per DNP.

Potete spiegare brevemente come DNP funziona?

DNP, o la polarizzazione nucleare dinamica, è una tecnica RMN che trasferisce la polarizzazione dalle rotazioni dell'elettrone sulle rotazioni nucleari, facendo uso di irradiazione per microonde costante per permettere al trasferimento.

Poiché la grandezza di polarizzazione della rotazione negli elettroni può essere molto maggior di nel nucleo, questa efficacemente amplifica la polarizzazione della rotazione nucleare del modo del campione sopra cui vedereste ad equilibrio termico nelle circostanze RMN normali.

Ciò effettua le misure RMN molto più sensibili - qualche cosa a partire da 20 volte, fino a 100 volte migliore, che ci permetta di vedere i dettagli in strutture molecolari che richiederebbero impossibile gli alti campi in spettroscopia RMN convenzionale.

Grifone di Bob - di Bruker

Come DNP primo è stato sviluppato?

L'uso di DNP è stato proposto da Albert che Overhauser nell'esperimento 1950s.The primo facendo uso della tecnica è stato eseguito nel dipartimento di fisica all'università dell'Illinois da Charlie Slichter ed il suo studente Tom Carver.

Hanno irradiato il metallo del litio con le microonde a bassa frequenza, facendo uso di un campo molto basso, di circa 30 gauss, perché l'elettronica è molto semplice occuparsi a quella frequenza.

Tutti erano molto emozionanti a questo proposito e durante gli anni 60 e verso la conclusione degli anni 70, la gente ha cominciato provare ad eseguire DNP alle più alte e più alte frequenze, che hanno raggiunto con successo modesto.

Il problema realmente era che stava usando le soluzioni, soluzioni spesso acquose e c'era molto riscaldamento dielettrico dalle microonde - simili a quando riscaldate una tazza di caffè nel forno a microonde.

C'erano molti problemi tecnici connessi con quello.

Allo stesso tempo, i magneti RMN superconduttori stavano presentandi che hanno significato che se steste andando usare DNP avete dovuto avere più alte e più alte frequenze delle microonde disponibili.

Sino a poco tempo fa, quando abbiamo cominciato lavorare a DNP, potreste comprare soltanto le sorgenti commerciali di microonda, che vi hanno limitato a 60 megahertz per il protone RMN e quella non è appena oggi molto interessante alla gente.

Quando siamo entrato in DNP, ho preso una decisione ed ho sostenuto che se stessimo andando faccia questo, quindi abbiamo dovuto sviluppare le sorgenti di microonda che avrebbero permesso che noi ci alziamo verso le frequenze utilizzate negli esperimenti RMN contemporanei.

Quello significherebbe inizialmente 400 megahertz, quindi 600, 800 e finalmente fino ai campi RMN di 1,2 gigahertz che stanno andando essere prodotti da Bruker nell'immediato futuro.

Poi abbiamo fatto un grande investimento nella tecnologia. Abbiamo deciso che abbiamo avuto bisogno di una sorgente di microonda del gyrotron e fortunatamente, essendo ad un posto come il MIT, il mio collega Richard Temkin che era attraverso la via, ha saputo costruire un gyrotron.

Che cosa abbiamo fatto dopo era di montare un sistema che funziona a 211 megahertz facendo uso di un gyrotron di 140 gigahertz. Quello era il primo spettrometro di DNP ed ancora realmente sta funzionando come spettrometro di alta frequenza DNP oggi. Quello è più o meno l'origine di DNP.

Development & Commercialization of Dynamic Nuclear Polarization (DNP) with Professor Robert Griffin

Che cosa erano le pietre miliari principali nello sviluppo di DNP?

La prima grande pietra miliare realmente stava ottenendo il gyrotron di 140 gigahertz e lo spettrometro da 211 megahertz connessi con per funzionare. Quella era una pietra miliare enorme per noi e nel 1993 abbiamo pubblicato il primo documento nelle lettere fisiche di esame.

Quell'articolo ci ha descritti facendo uso di un radicale chiamato ` BDPA' che abbiamo messo nel polistirolo. Tuttavia, questo era tutto che è pagato per dal NIH e non erano molto interessati in un polimero chimico come il polistirolo; realmente hanno voluto polarizzare le proteine.

Una coppia di anni più successivamente, nel 1995, definitivo abbiamo ottenuto qualcosa che funziona che potrebbe applicarsi alle proteine e che fosse un'altra grande pietra miliare. Abbiamo capito che potreste usare i radicali liberi di TEMPO solubile in acqua per polarizzare le soluzioni del glicerolo dell'acqua e per ottenere i potenziamenti molto grandi. Abbiamo ottenuto un potenziamento di 180, che è abbastanza rispettabile anche dagli odierni standard.

A questo punto, sebbene avessimo un gyrotron di funzionamento, era realmente un'unità casalinga che era molto difficile da funzionare e potrebbe realmente agire in tal modo soltanto per circa 30 minuti o un'ora se fossimo fortunati. Dopo quello, avete dovuto spegnerlo per lasciarlo “riposare„ per un po'ed avete lasciato il suo vuoto recuperare.

La grande pietra miliare seguente quindi stava costruendo un'unità che correttamente è stata configurata e potrebbe pompare molto bene fuori il vuoto. Questo gyrotron dietro noi, per esempio, funziona tipicamente ad un vuoto di 10-8 ed a preferibilmente 10-9 o 10-10 torr.

Abbiamo costruito un nuovo tubo di 250 gigahertz che realmente funziona continuamente. Lo abbiamo eseguito per quasi dieci anni e poi ha avuto un errore di vuoto ma da allora lo abbiamo rimesso insieme e sta funzionando molto piacevolmente, per circa sei o otto mesi continuamente ora.

Ottenendo una sorgente di microonda del gyrotron che era molto stabile e relativamente facile da operare, era realmente una pietra miliare importante nella fase seguente di sviluppare la tecnica ed ha permesso che noi cominciassimo registrare le gamme di proteine.

Nel 2008 e 2009, abbiamo pubblicato alcuni di primissimi, spettri migliorati DNP realmente piacevoli del bacteriorhodopsin, che è una proteina molto famosa della membrana.

Il punto seguente era di catturare ai 250 gigahertz (o a 380 megahertz per i protoni), che è ancora un campo molto modesto per RMN, fino a 600, 700 o 800 megahertz. Poi abbiamo costruito un gyrotron di 460 gigahertz che corrisponde ad un giacimento di funzionamento del protone di 700 megahertz e quella era la grande pietra miliare seguente.

Forse una quinta grande pietra miliare stava raggiungendo realmente sistematico, l'operazione di bassa temperatura che è cruciale per DNP poichè avete bisogno di stabilità di temperatura molto buona per i lungi periodi di del tempo circa una settimana. Così, tutti questi risultati tecnici sono venuto insieme a sviluppare e produrre questa strumentazione.

Un altro molto, molto parte importante di DNP sta avendo molecole paramagnetiche sotto forma di radicali liberi stabili, quel servire da sorgente di polarizzazione. Alcuni di agenti di polarizzazione più efficaci sono stati sviluppati da Kan Hu, un dottorando nel gruppo dal 2004 al 2008, sotto forma di biradicali. Ciò era uno sforzo di collaborazione con il mio addetto allo stampaggio di Tim del collega, che è un chimico organico eccezionale.

Abbiamo catturato due molecole di TEMPO e li abbiamo legati insieme. I loro elettroni interagiscono tra loro e si trasformano in in dipolo coppia, che permette che noi eseguiamo gli esperimenti di effetto trasversale DNP.

Per questi esperimenti, lanciate un elettrone e poi un altro elettrone, che piombo ad una differenza nella frequenza che polarizza la rotazione nucleare e che è chiamata un effetto trasversale. Ciò è stata il più grande miglioramento nei potenziamenti e la sensibilità che avessimo veduto finora. 

Paul Tordo ed i suoi colleghi a Marsiglia recentemente ha sintetizzato un biradicale molto piacevole. È realmente TEMPO due legato insieme ad una molecola dell'urea e quello sta fornendoci i potenziamenti di 420, che ci porta basicamente fino a dove siamo oggi.

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Che impatti DNP ha sulle nostre vite di tutti i giorni?

Bene, DNP probabilmente non avrà un impatto diretto su chiunque vita ma avrà un impatto indiretto molto importante, in quanto permetterà che la gente faccia gli esperimenti strutturali di biologia che potrebbero nemmeno pensare a fare a meno di.

Per esempio, a questa riunione, già abbiamo sentito parecchi riferimenti alle proteine dell'amiloide che sono comprese nel morbo di Alzheimer, nella malattia del Parkinson, nel diabete di tipo 2 e nell'amiloidosi in relazione con la dialisi… tutti queste malattie relative all'età terribili che sono molto, molto debilitanti e piombo a demenza severa.

Che DNP probabilmente ci ha lasciati fare in un modo molto più efficiente, è di determinare le strutture di quelle proteine dell'amiloide. Una volta che determinate la loro struttura, potete cominciare pensare alle droghe che potrebbero legare a loro ed inibire il fibrillization o dissolvere le fibrille, per esempio.

C'è egualmente un'altra area della dissoluzione DNP del ` chiamata DNP,' in cui polarizzate un campione molto alle basse temperature e lo dissolvete in acqua. Poi lo sparate più ad un altro magnete o potete realmente iniettarlo in una persona ed osservare un'immagine di un composto altamente polarizzato, quale piruvato, per esempio.

Questo ordinamento della tecnica realmente sta utilizzando a UCSF nella California per diagnosticarmi il carcinoma della prostata e mentre diventiamo migliori ad eseguire la dissoluzione DNP, pensa che parecchie nuove applicazioni cliniche siano trovate per.

La che direzione vedete DNP andare nell'immediato futuro?

Una cosa facile da raggiungere è semplicemente di andare agli più alti campi. Ora, stiamo funzionando a 800 megahertz e Bruker ha venduto tre o quattro spettrometri da 800 megahertz, i commputer gigahertz 1,2, di 1,1 e di 527 gigahertz sono sul tavolo da disegno.

La cosa ovvia da fare sarebbe di estendere le tecniche fino quelle frequenze operative. Molto d'importanza, egualmente stiamo cominciando a vedere che è importante avere un agente di polarizzazione adattato ad un determinato campo operatorio magnetico e penso che ci siano gli sviluppi e miglioramenti continuati in termini di agenti di polarizzazione usiamo per DNP.

Un'altra molto grande area noi ed altri gruppi negli Stati Uniti e l'Europa stiamo lavorando sopra siamo “DNP pulsati.„ Qualche cosa che possiate fare con radiazione di CW, potete probabilmente fare meglio con gli impulsi. Potete manipolare la rotazione, voi potete spostare le fasi, voi potete fare tutti i tipi di esperimenti di riciclaggio di fase e rendere all'esperimento molto, molto più efficiente.

Così, allo stesso modo la trasformata di fourier RMN era una giraffa tremenda alla soluzione e RMN semi conduttore, penso che l'impulso DNP probabilmente un certo giorno emerga come il metodo di scelta per l'esecuzione dei questi esperimenti.

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    Bruker BioSpin - NMR, EPR and Imaging. (2018, August 23). Polarizzazione nucleare dinamica: un'intervista con il professor Robert Griffin, Massachusetts Institute of Technology. News-Medical. Retrieved on October 17, 2021 from https://www.news-medical.net/news/20140724/Dynamic-nuclear-polarization-an-interview-with-Professor-Robert-Griffin-Massachusetts-Institute-of-Technology.aspx.

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