Rotores de diamante podem dar uma nova guinada nos estudos de proteínas

Durante décadas, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) foi uma das principais tecnologias usadas para estudar as estruturas atômicas de compostos biológicos complexos. A técnica mais popular, NMR de estado sólido, envolve colocar o material a ser analisado dentro de minúsculos rotores cilíndricos que são girados em altas frequências. A grande limitação do NMR de estado sólido, no entanto, é a rapidez com que os rotores podem girar antes de quebrar, o que depende da resistência do material do rotor.

Agora, pesquisadores do Centro de Bits e Átomos do MIT e do Departamento de Química do MIT encontraram uma maneira de fabricar rotores a partir de um único cristal de diamante. Esses rotores são menores e mais fortes do que os rotores já em uso. Eles também podem ser girados em frequências muito mais altas, resultando em um aumento na resolução e uma diminuição no tempo de aquisição da amostra, dizem os autores do estudo. Sua pesquisa foi publicada na edição de julho de 2023 do Journal of Magnetic Resonance.

Uma das técnicas usadas com RMN de estado sólido é a rotação de ângulo mágico, que fornece resolução e sensibilidade aprimoradas. Nesta técnica, depois que o cilindro é preenchido com o material que está sendo analisado, ele é suspenso em um campo magnético e girado usando jatos de (geralmente) gás nitrogênio conforme é submetido a pulsos de radiofrequência. O cilindro gira no ângulo "mágico" de exatamente 54,74 graus em relação ao campo magnético aplicado, ângulo em que é mais fácil obter as medições mais claras da estrutura atômica.

Nas últimas duas décadas, os rotores para NMR de rotação de ângulo mágico foram feitos de zircônia estabilizada com ítria (YSZ), um material cerâmico de alto desempenho. Esses rotores, que têm apenas 0,7 milímetros de diâmetro – aproximadamente do tamanho de uma ponta de lápis, com um orifício no meio para a amostra – têm uma velocidade máxima de rotação de cerca de 111 quilohertz, ou 7 milhões de rotações por minuto. Nessas velocidades, os rotores YSZ tendem a falhar cerca de metade do tempo - especificamente, eles explodem, junto com a amostra e a bobina NMR. “Tem sido o caso em NMR de estado sólido por muito tempo”, diz Zachary Fredin, um dos autores do artigo, “que qualquer tipo de problema, [e] tudo desaparece e causa milhares de dólares em danos”.

A criação de rotores de diamante de cristal único tem sido uma opção intrigante por um tempo, porque o diamante não é apenas muito resistente, mas também muito mais permeável à radiação terahertz e tem grande condutividade térmica. O desafio sempre foi como fazer furos de alta proporção através do cristal de diamante. Em 2019, um então aluno do Centro de Bits e Átomos, Prashant Patil, descobriu um método para fazer esses furos usando microusinagem a laser. Isso, diz Fredin, foi um resultado bastante inesperado e abriu o caminho para a criação de rotores de diamante para NMR de rotação de ângulo mágico.

Os rotores de diamante monocristal foram, até agora, inviáveis ​​por causa da dificuldade em esvaziá-los. O furo deve ser preciso - qualquer imperfeição pode levar a instabilidades que estilhaçarão o rotor enquanto ele gira.MIT

Como os rotores YSZ, os rotores de diamante têm um diâmetro de 0,7 mm, mas podem girar muito mais rápido. "Teoricamente, os [rotores] de diamante devem ser bons até três ou quatro vezes [a velocidade dos rotores YSZ], e devemos ser capazes de girar confortavelmente a 250 ou 300 kHz", diz Fredin. Em seus testes, no entanto, os pesquisadores conseguiram girar apenas até 124 kHz (ou 8,5 milhões de RPM), pois foram limitados pela velocidade sônica do nitrogênio, o gás motriz.

"Há um atrito considerável no sistema de rolamento, que é a primeira consideração aqui", diz Natalie Golota, estudante de pós-graduação no departamento de química do MIT e outra coautora. “Não queremos que o rotor vá mais rápido que a velocidade do som, pois [nessa velocidade] há turbulência significativa”. O uso de gás hélio pode tornar a frequência de rotação três vezes mais rápida, já que o hélio tem uma velocidade sônica cerca de três vezes maior que a do nitrogênio.

Mas quando os pesquisadores testaram seus rotores com uma combinação de nitrogênio e hélio, hélio puro, começando com nitrogênio e mudando para hélio, eles se depararam com outra limitação de projeto. As aberturas nos rolamentos de ar que suportam o rotor são projetadas para nitrogênio. "Acho que nosso maior desafio restante seria a necessidade de sistemas de rolamentos compatíveis com o hélio e alterar a dinâmica do rolamento do rotor para que possamos realmente aproveitar a maior velocidade do som do gás hélio", diz Golota. Isso seria uma "mudança de jogo", acrescenta ela. "Um rotor de diamante com 100 por cento de gás hélio... também pode nos fornecer dados de resolução muito alta e muitas informações poderosas sobre a amostra."