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Polarização nuclear dinâmica: uma entrevista com professor Robert Grifo, Massachusetts Institute of Technology

Professor Robert Griffin
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Pode você o senhor mesmodar- uma breve introdução e seu trabalho na polarização nuclear dinâmica?

Eu sou professor Robert Grifo e eu ensino a química física em Massachusetts Institute of Technology. Nós temos trabalhado na polarização nuclear dinâmica (DNP) por quase 30 anos agora, desde 1986, quando nós recebemos nosso primeiro NIH Grant para construir o equipamento necessário para DNP.

Pode você explicar momentaneamente como DNP trabalha?

DNP, ou a polarização nuclear dinâmica, são uma técnica NMR que transfira a polarização das rotações do elétron nas rotações nucleares, usando a irradiação de microonda constante para permitir transferência.

Desde que o valor da polarização da rotação nos elétrons pode ser muito maior do que no núcleo, este impulsiona eficazmente a polarização da rotação nuclear da maneira da amostra acima do que você veria no equilíbrio térmico sob circunstâncias NMR normais.

Isto faz as medidas NMR muito mais sensíveis - qualquer coisa de 20 vezes, até 100 vezes melhor, que nos permite de considerar detalhes nas estruturas moleculars que exigiriam impossìvel campos altos na espectroscopia NMR convencional.

Bruker - grifo de Bob

Como DNP primeiro foi desenvolvido?

O uso de DNP foi propor por Albert que Overhauser na experiência 1950s.The primeiro que usa a técnica foi executado no departamento de física nas Universidades de Illinois por Charlie Slichter e seu estudante Tom Carver.

Irradiaram o metal do lítio com microondas de baixa frequência, usando um campo muito baixo, de aproximadamente 30 gauss, porque a eletrônica é muito simples tratar nessa freqüência.

Todos era muito entusiasmado sobre ela e durante os anos 60 e para o fim dos anos 70, os povos começaram tentar executar DNP em umas freqüências mais altas e mais altas, que conseguissem com sucesso modesto.

O problema era realmente que usavam soluções, soluções frequentemente aquosas, e havia muito aquecimento dieléctrico das microondas - similares a quando você aquece uma chávena de café no forno microondas.

Havia muitos problemas técnicos associados com o aquele.

Ao mesmo tempo, os ímãs NMR superconducting eram introduzidos que significaram que se você estava indo usar DNP você teve que ter umas freqüências de microonda mais altas e mais altas disponíveis.

Até há pouco tempo, quando nós começamos trabalhar em DNP, você poderia somente comprar as fontes comerciais da microonda, que o limitaram a 60 megahertz para o protão NMR e aquela não é apenas muito interessante aos povos hoje.

Quando nós obtivemos em DNP, eu fiz uma decisão e argumenti que se nós estávamos indo faça isto, a seguir nós necessários para desenvolver as fontes da microonda que permitiriam que nós movessem para as freqüências usadas em experiências NMR contemporâneas.

Isso significaria 400 megahertz inicialmente, a seguir 600, 800, e eventualmente até os campos NMR de 1,2 gigahertz que estão indo ser produzidos em um futuro próximo por Bruker.

Nós fizemos então um investimento grande na tecnologia. Nós decidimos-nos necessários uma fonte da microonda do gyrotron e felizmente, estando em um lugar como o MIT, meu colega Richard Temkin que era através da rua, soube construir um gyrotron.

O que nós fizemos em seguida era montar um sistema que trabalhasse em 211 megahertz usando um gyrotron de 140 gigahertz. Aquele era o primeiro espectrómetro de DNP e ainda está operando-se realmente como um espectrómetro da alta freqüência DNP hoje. Isso é mais ou menos a origem de DNP.

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

Que eram os marcos miliários principais na revelação de DNP?

O primeiro marco miliário grande obtinha realmente o gyrotron de 140 gigahertz e o espectrómetro de 211 megahertz associados com ele para operar-se. Aquele era um marco miliário enorme para nós e em 1993 nós publicamos o primeiro papel sobre ele em letras físicas da revisão.

Esse papel descreveu-nos que usam um radical chamado ` BDPA' que nós pusemos no poliestireno. Contudo, este era todo que é pago para pelo NIH e não estavam muito interessados em um polímero químico como o poliestireno; quiseram realmente polarizar proteínas.

Um par anos mais tarde, em 1995, nós obtivemos finalmente algo que opera-se que poderiam ser aplicadas às proteínas e que era um outro marco miliário grande. Nós figuramos para fora que você poderia usar radicais livres do RITMO solúvel em água para polarizar soluções do glicerol da água e para obter realces muito grandes. Nós obtivemos um realce de 180, que fosse consideravelmente respeitável mesmo por padrões de hoje.

Neste momento, embora nós tivéssemos um gyrotron de funcionamento, era realmente um dispositivo caseiro que fosse muito difícil de se operar e podia somente realmente fazer assim para aproximadamente 30 minutos ou uma hora se nós éramos afortunados. Após isso, você teve que desligá-lo para deixá-lo “descansar por um tempo” e deixou seu vácuo recuperar.

O marco miliário grande seguinte construia conseqüentemente um dispositivo que correctamente fosse configurado e poderia bombear para fora o vácuo muito bem. Este gyrotron atrás de nós, por exemplo, é executado tipicamente em um vácuo de 10-8 e em preferivelmente 10-9 ou 10-10 Torr.

Nós construímos uma câmara de ar nova de 250 gigahertz que fosse executado realmente continuamente. Nós executamo-la por quase dez anos e então teve uma falha do vácuo mas nós pusemo-la desde para trás junto e tem-se operado muito agradàvel, por aproximadamente seis ou oito meses continuamente agora.

Obtendo uma fonte da microonda do gyrotron que fosse muito estável e relativamente fácil de operar, era realmente um marco miliário importante na fase seguinte de desenvolver a técnica e permitiu que nós começassem gravar espectros das proteínas.

Em 2008 e 2009, nós publicamos alguma muito do primeira, espectros aumentados DNP realmente agradáveis do bacteriorhodopsin, que é uma proteína muito famosa da membrana.

O passo seguinte era tomar aos 250 gigahertz (ou a 380 megahertz para protão), que é ainda um campo muito modesto para NMR, até 600, 700 ou 800 megahertz. Nós construímos então um gyrotron de 460 gigahertz que correspondesse a um campo de funcionamento do protão de 700 megahertz e aquele era o marco miliário grande seguinte.

Talvez um quinto marco miliário grande conseguia a operação da temperatura realmente rotineira, baixa que é crucial para DNP porque você precisa a estabilidade de temperatura muito boa durante longos período do tempo - aproximadamente uma semana. Assim, todas estas realizações técnicas vieram junto desenvolver e produzir este equipamento.

Outro muito, muito parte importante de DNP está tendo as moléculas paramagnéticas sob a forma dos radicais livres estáveis, esse saque como uma fonte de polarização. Alguns dos agentes de polarização os mais eficazes foram desenvolvidos por Kan Hu, um aluno diplomado no grupo desde 2004 até 2008, sob a forma dos biradicals. Este era um esforço colaborador com meu Swager de Tim do colega, que é um químico orgânico proeminente.

Nós tomamos duas moléculas do RITMO e tethered os junto. Seus elétrons interagem um com o outro e transformam-se o dipolo acoplado, que permite que nós executem experiências do efeito transversal DNP.

Para estas experiências, você lança um elétron e então um outro elétron, que conduza a uma diferença na freqüência que polarizam a rotação nuclear e que é chamada um efeito transversal. Esta foi a melhoria a mais grande nos realces e a sensibilidade que nós temos visto até agora. 

Paul Tordo e seus colegas em Marselha tem sintetizado recentemente um biradical muito agradável. É realmente o RITMO dois tethered junto com uma molécula da uréia e aquele está fornecendo-nos realces de 420, que nos traz basicamente até onde nós somos hoje.

Produtos químicos - 590

Que impactos DNP tem em nossas vidas quotidianas?

Bem, DNP provavelmente não terá um impacto directo em qualquer um vida mas terá um impacto indirecto muito importante, que permitirá que os povos façam as experiências estruturais da biologia que poderiam nem sequer pensar sobre fazer sem ele.

Por exemplo, nesta reunião, nós temos ouvido já diversas referências às proteínas do amyloid que são envolvidas na doença da doença de Alzheimer, de Parkinson, no tipo-2 diabetes e em amyloidosis diálise-relacionado… todos estas doenças relativas à idade terríveis que são muito, muito debilitantes e conduzem à demência severa.

Que DNP nos deixou provavelmente fazer em uma maneira muito mais eficiente, é determinar as estruturas daquelas proteínas do amyloid. Uma vez que você determina sua estrutura, você pode começar pensar sobre as drogas que puderam lhes ligar e inibir o fibrillization ou dissolver fibrilas, por exemplo.

Há igualmente uma outra área da dissolução chamada DNP DNP do `,' em qual você polariza uma amostra em temperaturas muito baixas e a dissolve na água. Você dispara então n sobre a um outro ímã ou você pode realmente injetá-lo em uma pessoa e ver uma imagem de um composto altamente polarizado, tal como o piruvato, por exemplo.

Esta técnica está sendo usada meio realmente em UCSF em Califórnia para diagnosticar-me o cancro da próstata e como nós nos tornamos melhores em executar a dissolução DNP, pensa que diversas aplicações clínicas novas estarão encontradas para ela.

Que sentido você vê DNP ir em um futuro próximo?

Uma coisa fácil a conseguir é simplesmente ir a uns campos mais altos. Agora, nós estamos sendo executado em 800 megahertz e Bruker vendeu três ou quatro espectrómetros de 800 megahertz, as máquinas de 527 gigahertz e de 1,1, 1,2 gigahertz estão na mesa de projecto.

A coisa óbvia a fazer seria estender as técnicas 2 aquelas freqüências de funcionamento. Muito importante, nós igualmente estamos começando a ver que é importante ter um agente de polarização adaptado a um determinado campo de operação magnético e eu penso que haverá umas revelações e umas melhorias continuadas em termos dos agentes que de polarização nós nos usamos para DNP.

Uma outra área muito grande nós e outros grupos nos Estados Unidos e na Europa estamos trabalhando sobre somos “DNP pulsados.” Qualquer coisa que você pode fazer com radiação do CW, você pode provavelmente fazer melhor com pulsos. Você pode manipular a rotação, você pode deslocar fases, você pode fazer todos os tipos de experiências do ciclismo da fase e fazer à experiência muito, muito mais eficientes.

Assim, da mesma forma Fourier transforma NMR era um crescimento tremendo à solução e NMR de circuito integrado, eu penso que o pulso DNP provavelmente algum dia emergirá como o método de escolha para executar estas experiências.

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    Bruker BioSpin - NMR, EPR and Imaging. (2018, August 23). Polarização nuclear dinâmica: uma entrevista com professor Robert Grifo, Massachusetts Institute of Technology. News-Medical. Retrieved on October 28, 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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