Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracują zupełnie nową metodę rezonansu magnetycznego, za pomocą której chcą uzyskiwać informacje o strukturze pojedynczych cząsteczek. Ich projekt znalazł się wśród 43 przedsięwzięć wybranych do finansowania w konkursie EIC Pathfinder Open 2026.
Białka nie są sztywnymi strukturami. Mogą zmieniać kształt podczas oddziaływania z innymi cząsteczkami i reakcji chemicznych. Ułożenie poszczególnych fragmentów białka wpływa na jego działanie, dlatego naukowców interesuje nie tylko jego budowa, lecz także zmiany zachodzące w czasie.
Pomiary pojedynczych molekuł mogą ujawnić różnice, których nie widać w sygnale pochodzącym od dużej liczby cząsteczek. Konwencjonalny rezonans magnetyczny dostarcza szczegółowych informacji o badanych substancjach, ale rejestrowany sygnał pochodzi od ogromnej liczby spinów jądrowych. Wyniki odzwierciedlają więc zbiorowe zachowanie wielu cząsteczek, a nie bezpośrednio jednej z nich.
Naukowcy chcą osiągnąć rozdzielczość przestrzenną 10 nanometrów dla obiektów znajdujących się poza diamentem. To skala porównywalna z rozmiarami wielu białek. Badacze zamierzają również opracować metody pomiaru odległości między wybranymi miejscami pojedynczych cząsteczek. Posłużą do tego znaczniki magnetyczne. Uzyskane dane mogą pomóc w odtwarzaniu trójwymiarowej struktury molekuł i badaniu zmian ich kształtu.
Proponowana przez nas technika ma pozwalać obrazować obiekty w skali nanometrycznej i śledzić między innymi, jak cząsteczki przechodzą przez błony komórkowe oraz jak białka zmieniają się podczas reakcji chemicznych. Docelowo może umożliwić obserwowanie i wykonywanie rezonansu magnetycznego pojedynczej molekuły – tłumaczy prof. Szymon Pustelny z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Podstawą rozwijanej techniki będą centra barwne azot-wakancja (NV). Są to defekty w sieci krystalicznej diamentu, w których atom węgla zastąpiony jest atomem azotu, a dodatkowo najbliższe miejsce w sieci krystalicznej pozostaje puste, bo brakuje w nim innego atomu węgla. Taki układ działa jak pseudoatom, a jego stan zależy od lokalnego pola magnetycznego, elektrycznego czy temperatury. Dzięki czemu centra barwne NV mogą służyć jako bardzo czułe czujniki.
Do realizacji swojego celu naukowcy przygotują cienką warstwę zawierającą wiele centrów NV tuż pod powierzchnią diamentu. Umożliwi to możliwość badania pól od obiektów znajdujących się tuż nad powierzchnią. Jest to o tyle istotne, że pole magnetyczne generowane przez pojedyncze cząstki jest bardzo słabe, a do tego maleje bardzo szybko wraz z odległością.
Warto jednak zauważyć, że sama czułość czujników nie wystarczy do uzyskania obrazu. Trzeba również ustalić, z którego miejsca pochodzi rejestrowany sygnał. Naukowcy z UJ zaprojektowali specjalny sposób przygotowania centrów barwnych w diamencie. Do tego celu będą wytwarzać kontrolowane gradienty pola magnetycznego, czyli pole zmieniające się w zależności od położenia. Ponieważ pole to może przygotowywać centra barwne w różnej skali odległości, otworzy to drogę do rekonstrukcji pola generowanego przez molekuły w nanoskali.
Projekt MRI-NOVA koncentruje się na opracowaniu i eksperymentalnym sprawdzeniu nowych metod pomiarowych. Nie jest projektem budowy gotowego urządzenia diagnostycznego. Jeśli badania przyniosą oczekiwane wyniki, nowe metody mogą znaleźć zastosowanie w badaniach białek, których struktura przestrzenna zmienia się w czasie. Dotyczy to również białek związanych z chorobami neurodegeneracyjnymi, ale i innymi chorobami. Informacje uzyskiwane dzięki takim pomiarom mogą być przydatne także w badaniach chemicznych i podczas opracowywania nowych leków.
Przedsięwzięcie będzie realizowana przez konsorcjum, na którego czele stoi Uniwersytet Jagielloński, a partnerami są: Uniwersytet w Ulm, Instytut Optyki Kwantowej Maxa Plancka oraz Politechnika Federalna w Lozannie – EPFL. Planowany budżet czteroletniego projektu wynosi ok. 4 mln euro, z czego 1,4 mln euro przewidziano dla Uniwersytetu Jagiellońskiego. Rozpoczęcie prac zaplanowano na początek 2027 roku.
Projekt znalazł się wśród 43 przedsięwzięć wybranych do finansowania w konkursie EIC Pathfinder Open 2026. To inicjatywa Europejskiej Rady ds. Innowacji realizowana w ramach programu Horyzont Europa. Wspiera badania nad nowymi technologiami na wczesnym etapie rozwoju. W tegorocznym konkursie zgłoszono 2103 projekty.
Łukasz Wspaniały, źródło: UJ