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Polarización nuclear dinámica: una entrevista con profesor Roberto Griffin, Massachusetts Institute of Technology

Professor Robert Griffin
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¿Puede usted dar una introducción abreviada a sí mismo y su trabajo sobre la polarización nuclear dinámica?

Soy profesor Roberto Griffin y enseño a química física en Massachusetts Institute of Technology. Ahora hemos estado trabajando en la polarización nuclear (DNP) dinámica por casi 30 años, desde 1986, cuando recibimos nuestro primer NIH Grant para construir el equipo necesario para DNP.

¿Puede usted explicar abreviadamente cómo DNP trabaja?

DNP, o la polarización nuclear dinámica, es una técnica del RMN que transfiere la polarización de las barrenas del electrón sobre las barrenas nucleares, usando la irradiación de microonda constante para habilitar la transferencia.

Puesto que la magnitud de polarización de la barrena en los electrones puede ser mucho mayor que en el núcleo, ésta refuerza efectivo la polarización de la barrena nuclear de la manera de la muestra encima de lo que usted vería en el equilibrio térmico bajo condiciones normales del RMN.

Esto hace las mediciones del RMN mucho más sensibles - cualquier cosa a partir de 20 veces, hasta 100 veces mejor, que nos permite considerar a los detalles en las estructuras moleculares que requerirían imposible altos campos en espectroscopia convencional del RMN.

Bruker - grifo de Bob

¿Cómo DNP primer fue desarrollado?

El uso de DNP fue propuesto por Albert que a Charlie Slichter y su estudiante Tom Carver realizó a Overhauser en el experimento 1950s.The primer usando la técnica en el departamento de la física en la Universidad de Illinois.

Irradiaron el metal del litio con microondas de baja fricción, usando un campo muy inferior, de cerca de 30 gausios, porque la electrónica es muy simple ocuparse en de esa frecuencia.

Todos era muy emocionado sobre ella y durante los años 60 y hacia el final de los años 70, la gente comenzó a intentar realizar DNP en frecuencias más altas y más altas, que ella logró con éxito modesto.

El problema era realmente que ella utilizaba las soluciones, soluciones a menudo acuosas, y había mucha calefacción dieléctrica de las microondas - similares a cuando usted calienta una copa de café en el horno de microondas.

Había muchos problemas técnicos asociados a ése.

Al mismo tiempo, los imanes superconductores del RMN eran introducidos que significaron que si usted iba a utilizar DNP usted tuvo que tener frecuencias microondas más altas y más altas disponibles.

Hasta hace poco tiempo, cuando comenzamos a trabajar en DNP, usted podría comprar solamente las fuentes comerciales de la microonda, que le limitaron a 60 megaciclos para el protón RMN y eso no es apenas muy interesante a la gente hoy.

Cuando conseguimos en DNP, tomé una decisión y sostuve que si fuéramos haga esto, después necesitamos desarrollar las fuentes de la microonda que permitirían que nos levantáramos a las frecuencias usadas en experimentos contemporáneos del RMN.

Eso significaría 400 megaciclos inicialmente, después 600, 800, y eventual hasta los campos de 1,2 gigahertz RMN que van a ser producidos por Bruker en un futuro próximo.

Entonces hicimos una inversión grande en tecnología. Decidíamos que necesitamos una fuente de la microonda del gyrotron y afortunadamente, estando en un lugar como el MIT, mi colega Richard Temkin que estaba a través de la calle, supiera construir un gyrotron.

Qué hicimos después era montar un sistema que trabaja en 211 megaciclos usando un gyrotron de 140 gigahertz. Ése era el primer espectrómetro de DNP y todavía está operando real como espectrómetro el de alta frecuencia DNP hoy. Ése es más o menos el origen de DNP.

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

¿Cuáles eran las piedras miliarias principales en el revelado de DNP?

La primera piedra miliaria grande real conseguía el gyrotron de 140 gigahertz y el espectrómetro de 211 megaciclos asociados a ella para operar. Eso era una piedra miliaria enorme para nosotros y en 1993 publicamos el primer papel sobre él en cartas físicas de la revista.

Ese papel nos describió usando un radical llamado ` BDPA' que pusimos en el poliestireno. Sin embargo, éste era todo que era pagado para por el NIH y no estaban muy interesados en un polímero químico como el poliestireno; quisieron realmente polarizar las proteínas.

Un par de años más tarde, en 1995, finalmente conseguimos algo que operaba que se podrían aplicar a las proteínas y que era otra piedra miliaria grande. Imaginamos que usted podría utilizar radicales libres del TEMPO soluble en agua para polarizar soluciones del glicerol del agua y para conseguir aumentos muy grandes. Obtuvimos un aumento de 180, que es bastante respetable incluso por patrones de hoy.

A este punto, aunque tuviéramos un gyrotron de funcionamiento, era real un dispositivo hecho en casa que era muy difícil de operar y podría hacer solamente realmente tan para cerca de 30 minutos o una hora si éramos afortunados. Después de eso, usted tuvo que apagarlo para permitirlo “descansar” durante algún tiempo y permitió su vacío recuperarse.

La piedra miliaria grande siguiente por lo tanto construía un dispositivo que fue configurado y podría correctamente bombear fuera el vacío muy bien. Este gyrotron detrás de nosotros, por ejemplo, se ejecuta típicamente en un vacío de 10-8 y preferiblemente 10-9 o 10-10 torres.

Construimos un nuevo tubo de 250 gigahertz que se ejecuta real contínuo. Lo ejecutamos por casi diez años y entonces tenía una falla del vacío pero la hemos puesto desde entonces detrás junto y ha estado operando muy agradable, por cerca de seis u ocho meses contínuo ahora.

Consiguiendo una fuente de la microonda del gyrotron que era muy estable y relativamente fácil de operar, era realmente una piedra miliaria importante en el escenario siguiente de desarrollar la técnica y permitió que comenzáramos a registrar espectros de proteínas.

En 2008 y 2009, publicamos algunos de los espectros aumentados DNP primeros, realmente agradables del bacteriorhodopsin, que es una proteína muy famosa de la membrana.

El paso siguiente era tomar los 250 gigahertz (o a 380 megaciclos para los protones), que sigue siendo un campo muy modesto para el RMN, hasta 600, 700 o 800 megaciclos. Entonces construimos un gyrotron de 460 gigahertz que corresponde a un campo de mando del protón de 700 megaciclos y ésa era la piedra miliaria grande siguiente.

Quizás una quinta piedra miliaria grande lograba la operación de la temperatura realmente rutinaria, baja que es crucial para DNP pues usted necesita estabilidad de temperatura muy buena durante largos periodos del tiempo - alrededor de una semana. Así pues, todos estos logros técnicos han venido juntos desarrollar y producir este equipo.

Otro muy, mismo parte importante de DNP está teniendo moléculas paramagnéticas bajo la forma de radicales libres estables, ese servicio como fuente de la polarización. Algunos de los agentes polarizantes más efectivos fueron desarrollados por Kan Hu, estudiante de tercer ciclo en el grupo a partir de 2004 a 2008, bajo la forma de biradicals. Esto era un esfuerzo colaborativo con mi estampador de Tim del colega, que es químico orgánico excepcional.

Tomamos dos moléculas del TEMPO y los atamos juntos. Sus electrones obran recíprocamente el uno con el otro y se convierten en el dipolo acoplado, que permite que realicemos experimentos del efecto cruzado DNP.

Para estos experimentos, usted mueve de un tirón un electrón y entonces otro electrón, que lleva a una diferencia en la frecuencia que polariza la barrena nuclear y que se llama un efecto cruzado. Ésta ha sido la mejoría más grande de aumentos y la sensibilidad que hemos visto hasta ahora. 

Paul Tordo y sus colegas en Marsella ha sintetizado recientemente un biradical muy bonito. Es real el TEMPO dos atado así como una molécula de la urea y el nos está ofreciendo los aumentos de 420, que nos trae básicamente hasta donde estamos hoy.

Substancias químicas - 590

¿Qué impactos DNP tiene en nuestras vidas cotidianas?

Bien, DNP no tendrá probablemente un impacto directo en cualquier persona vida sino que tendrá un impacto indirecto muy importante, en que permitirá que la gente haga los experimentos estructurales de la biología que podrían ni siquiera pensar en hacer sin él.

Por ejemplo, en esta reunión, hemos oído ya varias referencias a las proteínas amiloideas que están implicadas en enfermedad de la enfermedad de Alzheimer, de Parkinson, el tipo-2 diabetes y el amyloidosis diálisis-relacionado… todas estas enfermedades relativas a la edad terribles que estén muy, muy debilitantes y llevan a la demencia severa.

Qué DNP nos permitió probablemente hacer de una manera mucho más eficiente, es determinar las estructuras de esas proteínas amiloideas. Una vez que usted determina su estructura, usted puede comenzar a pensar en las drogas que pudieron atar a ellas e inhibir el fibrillization o disolver las fibrillas, por ejemplo.

Hay también otra área de la disolución llamada DNP DNP del `,' en cuál usted polariza una muestra en las temperaturas muy bajas y la disuelve en agua. Usted entonces lo dispara encima a otro imán o usted puede inyectarlo en una persona y ver real una imagen de una composición altamente polarizada, tal como piruvato, por ejemplo.

Esta clase de técnica se está utilizando real en UCSF en California para diagnosticar el cáncer y como hacemos mejores en la ejecución de la disolución DNP, me de próstata piensa que varios nuevos usos clínicos serán encontrados para ella.

¿Qué dirección usted ve DNP el ir en un futuro próximo?

Una cosa fácil a lograr es simple ir a campos más altos. Ahora, nos estamos ejecutando en 800 megaciclos y Bruker ha vendido tres o cuatro espectrómetros de 800 megaciclos, las máquinas de 527 gigahertz y de 1,1, 1,2 gigahertz están en el tablero de dibujo.

La cosa obvia a hacer sería ampliar las técnicas a esas frecuencias de mando. Muy importantemente, también estamos comenzando a ver que es importante tener un agente polarizante adaptado a cierto campo de la operación magnético y pienso que habrá progresos y mejorías continuados en términos de agentes polarizantes que utilizamos para DNP.

Otra área muy grande nosotros y otros grupos en los Estados Unidos y la Europa estamos trabajando conectado somos “DNP pulsados.” Cualquier cosa que usted puede hacer con la radiación del CW, usted puede hacer probablemente mejor con pulsos. Usted puede manipular la barrena, usted puede cambio las fases, usted puede hacer toda clase de experimentos de ciclaje de la fase y hacer el experimento mucho, mucho más eficiente.

Así pues, Fourier transforma de la misma manera el RMN era un enorme botalón a la solución y RMN de estado sólido, pienso que el pulso DNP un cierto día emergerá probablemente como el método de opción para realizar estos experimentos.

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    Bruker BioSpin - NMR, EPR and Imaging. (2018, August 23). Polarización nuclear dinámica: una entrevista con profesor Roberto 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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