RSS
پنجمین همایش سالیانه بانوان در فیزیک ایران نهمین کنفرانس فیزیک ریاضی ایران
وبینار ماهانه شاخه فیزیک محاسباتی انجمن کنفرانس فیزیک ایران ۱۴۰۴ گردهمایی سراسری فیزیک ایران ۱۴۰۴ شانزدهمین کنفرانس فیزیک ذرات و میدان‌ها
انجمن @ شبکه‌های اجتماعی
شرح خبر
اخبار علمی و پژوهشی
ام‌آرآی از یک پروتئین با استفاده از نقص‌های الماس (۱۳۹۱/۱۱/۲۱)
تکنیکی ارائه شده که می‌تواند برای آشکارساختن ساختار تک پروتئین به اندازه‌ی کافی حساس باشد.
اکنون قطعات کوانتومی که بر مبنای الماس ساخته می‌شوند٬ می‌توانند اندازه‌گیری‌های تشدید مغناطیسیِ هسته‌ای را در مقیاس مولکولی فراهم کنند. کاری که توسط دو گروه مستقل انجام شده است٬ کشف و درکِ ساختار تک مولکول‌های بیولوژیکی را٬ همانند پروتئین٬ بدون تخریب یا منجمد کردن آنها٬ سهولت خواهد بخشید.
تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و دوستِ نزدیک آن٬ تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)٬ اطلاعاتی در مورد ساختار نمونه‌ی مورد نظر را با استفاده از آشکارسازی نیروهای مغناطیسی ضعیف در هسته‌ی اتمیِ معینی٬ همانند هیدروژن٬ ارایه می‌دهند. آنان با آشکارسازی اینکه چگونه مولکول‌ها به صورت جمعی٬ شبیه رشته‌های گیتار که با همدیگر ارتعاش می‌کنند٬ با امواج الکترومغناطیسیِ طول‌موج‌های مشخصی تشدید می‌کنند. این تکنیک‌ها اطلاعاتی را در مورد ساختار نمونه‌های مورد‌نظر٬ بدون تخریب آنها فراهم می‌کنند؛ کاری که به نوبه‌ی خود از اهمیت زیادی برخوردار است بویژه وقتی نمونه‌ی مورد نظر بدن یک انسان باشد.
اما برای برخی از محققان٬ کلِ بدن انسان جذابیت کمتری نسبت به مولکول‌هایی دارد که آن را تشکیل داده‌اند. بگفته‌ی فرایدمن رینهارد٬ فیزیکدانی از دانشگاه اشتوتگارت آلمان: من قصد دارم NMR و MRI را به سطح مولکولی بکشانم. تیم او یکی از تیم‌هایی است که از NMR برای آشکارسازی اتم‌های هیدروژن در نمونه‌هایی استفاده کرده‌اند که تنها چند نانومتر پهنا دارد [1]. تیم دوم [2] توسط دانیل روگر٬ مدیر مطالعاتِ در مقایس نانو در مرکز تحقیقاتی Almaden آی‌بی‌ام در سان خوزه‌ی کالیفرنیا٬ رهبری شده است. هر دوی این مطالعات در مجله‌ی این هفته‌ی ساینس منتشر شده است.
مشکلات مربوط به مقیاس
کاوشِ تک مولکول‌ها با پهنای چند نانومتر٬ ناکامیِ بزرگی در تکنیکِ NMR بوده است. آشکارسازهایی که در این تکنیک بکار می‌رفته٬ لازم بوده که در اندازه‌های شبیه اندازه‌های نمونه مورد نظر باشند. علاوه بر آن٬ پیچه‌های مغناطیسی که به شکل معمول استفاده می شوند را نمی‌توان به آسانی در اندازه‌های کمتر از چند میکرومتر ساخت.
اندازه‌گیری‌هایی که توسط NMR و MRI در مقیاس‌های نانو انجام یافته٬ با استفاده از تکنیکی موسوم به میکروسکوپی نیروی تشدید مغناطیسی (magnetic resonance force microscopy) بوده است٬ اما این تکنیک تنها در نمونه‌های بسیار سرد کارایی دارد.
راگور و رینهارد رهیافت متفاوتی را انتخاب کرده‌اند. هر دو تیم الماس‌هایی را ساخته‌اند که نقص‌هایی در ساختار بلوری آنها وجود داشته است- یک تک اتم نیتروژن در کنار یک اتم کربن گم‌شده٬ چند نانومتر پایین‌تر از سطح مورد نظر. این کار باعث درخشش فلورسانی در الماس می‌شود٬ که بسته به اینکه به چه طریقی الکترون‌های نیتروژن چرخش می‌کنند٬ می‌تواند روشن یا کدر باشد.
تیم رینهارد انواع مختلفی از نمونه‌ها را روی الماس‌شان قرار دادند و مشاهده کردند که چگونه تشدید مغناطیسی در آنها٬ الکترون‌های چرخنده در نیتروژن را تحت تاثیر قرار می‌دهد. محققان دریافتند که اکثر سیگنال‌های رسیده٬ ناشی از حجمی فقط با پهنای ۵ نانومتر در داخل نمونه است.
کاوش رادیویی
تیم راگور آزمایش مشابهی را با یک پلیمر آلی انجام داده‌اند و حجمی را با اندازه‌ی یکسانی با آن‌چه تیم رینهارد انجام داده‌اند٬ کاوش کرده‌اند. این محققان همچنین نمونه‌ی موردنظرشان را با پالس‌های رادیویی مورد هدف قرار دادند که به آنها این امکان را می‌دهد تا الکترون‌های اتم هیدروژن را در داخل نمونه دستکاری کنند. این کار بسیار شبیه به یک آزمایش NMR سنتی است و جزپیات بیشتری را در مورد نوع مولکول تحت کاوش فراهم می‌آورد.
رینهارد می‌گوید: تکنیک ما صرفاً تکنیکی غیرفعال است. و افزودن چنان خاصیت منفعلی٬ اندکی اجرای آن را آسان می سازد. اما وی ذکر می‌کند که در اولین تقریب٬ نتیجه‌ی بدست آمده با نتایجِ آزمایشِ تیم راگور یکسان است.
به بیان رینهارد: پس از آن ما قصد داریم این کار را از آشکارسازی به تصویربرداری برگردان کنیم. در این ایده یک بلور الماس بر راس یک میکروسکوپ اسکن‌کننده قرار می‌گیرد و چگونگی تغییرِ سیگنال را وقتی نوک میکروسکوپ حول آن حرکت می‌کند٬ مشاهده کرده و یک عکس را پدید می‌آورد.
تفسیری که در کنار این مطالعات منتشر شده٬ [3] کاربرد پیشرفته‌تری را پیش‌بینی می‌کند٬ یعنی: تصویربرداری از تک مولکول‌های داخل یاخته‌های زنده. همر فیلیپ٬ فیزیک‌حالت‌جامد‌دان از دانشگاه A&M تگزاس در College Station می‌نویسد: نانوبلورهای الماسی که به داخل یک سیتوپلاسم یاخته فروبرده می‌شود٬ اساساً قادر به تولید فیلم‌های زمان-واقعی فعالیتِ تک‌مولکول‌هاست٬ همانند چین‌خوردگی یک پروتئین.
بگفته‌ی کریستین دگن٬ کسی که فیزیک چرخش و تصویربرداری را در موسسه فناوری فدرال سوییس در زوریخ مورد مطالعه قرار می‌دهد: این‌ها آزمایشاتِ عظیمی هستند. وی خاطر نشان می کند که بسیار مشکل است که بتوان نقص نیتروژنی را دقیقاً در جای درستش قرار داد. به بیان او: کشمکش طولانی‌مدتی برای نیل به آن هدف وجود داشته است.
مراجع:
منبع:
نویسنده:
کاترین ساندرسون
اکنون قطعات کوانتومی که بر مبنای الماس ساخته می‌شوند٬ می‌توانند اندازه‌گیری‌های تشدید مغناطیسیِ هسته‌ای را در مقیاس مولکولی فراهم کنند. کاری که توسط دو گروه مستقل انجام شده است٬ کشف و درکِ ساختار تک مولکول‌های بیولوژیکی را٬ همانند پروتئین٬ بدون تخریب یا منجمد کردن آنها٬ سهولت خواهد بخشید.
تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و دوستِ نزدیک آن٬ تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)٬ اطلاعاتی در مورد ساختار نمونه‌ی مورد نظر را با استفاده از آشکارسازی نیروهای مغناطیسی ضعیف در هسته‌ی اتمیِ معینی٬ همانند هیدروژن٬ ارایه می‌دهند. آنان با آشکارسازی اینکه چگونه مولکول‌ها به صورت جمعی٬ شبیه رشته‌های گیتار که با همدیگر ارتعاش می‌کنند٬ با امواج الکترومغناطیسیِ طول‌موج‌های مشخصی تشدید می‌کنند. این تکنیک‌ها اطلاعاتی را در مورد ساختار نمونه‌های مورد‌نظر٬ بدون تخریب آنها فراهم می‌کنند؛ کاری که به نوبه‌ی خود از اهمیت زیادی برخوردار است بویژه وقتی نمونه‌ی مورد نظر بدن یک انسان باشد.
اما برای برخی از محققان٬ کلِ بدن انسان جذابیت کمتری نسبت به مولکول‌هایی دارد که آن را تشکیل داده‌اند. بگفته‌ی فرایدمن رینهارد٬ فیزیکدانی از دانشگاه اشتوتگارت آلمان: من قصد دارم NMR و MRI را به سطح مولکولی بکشانم. تیم او یکی از تیم‌هایی است که از NMR برای آشکارسازی اتم‌های هیدروژن در نمونه‌هایی استفاده کرده‌اند که تنها چند نانومتر پهنا دارد [1]. تیم دوم [2] توسط دانیل روگر٬ مدیر مطالعاتِ در مقایس نانو در مرکز تحقیقاتی Almaden آی‌بی‌ام در سان خوزه‌ی کالیفرنیا٬ رهبری شده است. هر دوی این مطالعات در مجله‌ی این هفته‌ی ساینس منتشر شده است.
مشکلات مربوط به مقیاس
کاوشِ تک مولکول‌ها با پهنای چند نانومتر٬ ناکامیِ بزرگی در تکنیکِ NMR بوده است. آشکارسازهایی که در این تکنیک بکار می‌رفته٬ لازم بوده که در اندازه‌های شبیه اندازه‌های نمونه مورد نظر باشند. علاوه بر آن٬ پیچه‌های مغناطیسی که به شکل معمول استفاده می شوند را نمی‌توان به آسانی در اندازه‌های کمتر از چند میکرومتر ساخت.
اندازه‌گیری‌هایی که توسط NMR و MRI در مقیاس‌های نانو انجام یافته٬ با استفاده از تکنیکی موسوم به میکروسکوپی نیروی تشدید مغناطیسی (magnetic resonance force microscopy) بوده است٬ اما این تکنیک تنها در نمونه‌های بسیار سرد کارایی دارد.
راگور و رینهارد رهیافت متفاوتی را انتخاب کرده‌اند. هر دو تیم الماس‌هایی را ساخته‌اند که نقص‌هایی در ساختار بلوری آنها وجود داشته است- یک تک اتم نیتروژن در کنار یک اتم کربن گم‌شده٬ چند نانومتر پایین‌تر از سطح مورد نظر. این کار باعث درخشش فلورسانی در الماس می‌شود٬ که بسته به اینکه به چه طریقی الکترون‌های نیتروژن چرخش می‌کنند٬ می‌تواند روشن یا کدر باشد.
تیم رینهارد انواع مختلفی از نمونه‌ها را روی الماس‌شان قرار دادند و مشاهده کردند که چگونه تشدید مغناطیسی در آنها٬ الکترون‌های چرخنده در نیتروژن را تحت تاثیر قرار می‌دهد. محققان دریافتند که اکثر سیگنال‌های رسیده٬ ناشی از حجمی فقط با پهنای ۵ نانومتر در داخل نمونه است.
کاوش رادیویی
تیم راگور آزمایش مشابهی را با یک پلیمر آلی انجام داده‌اند و حجمی را با اندازه‌ی یکسانی با آن‌چه تیم رینهارد انجام داده‌اند٬ کاوش کرده‌اند. این محققان همچنین نمونه‌ی موردنظرشان را با پالس‌های رادیویی مورد هدف قرار دادند که به آنها این امکان را می‌دهد تا الکترون‌های اتم هیدروژن را در داخل نمونه دستکاری کنند. این کار بسیار شبیه به یک آزمایش NMR سنتی است و جزپیات بیشتری را در مورد نوع مولکول تحت کاوش فراهم می‌آورد.
رینهارد می‌گوید: تکنیک ما صرفاً تکنیکی غیرفعال است. و افزودن چنان خاصیت منفعلی٬ اندکی اجرای آن را آسان می سازد. اما وی ذکر می‌کند که در اولین تقریب٬ نتیجه‌ی بدست آمده با نتایجِ آزمایشِ تیم راگور یکسان است.
به بیان رینهارد: پس از آن ما قصد داریم این کار را از آشکارسازی به تصویربرداری برگردان کنیم. در این ایده یک بلور الماس بر راس یک میکروسکوپ اسکن‌کننده قرار می‌گیرد و چگونگی تغییرِ سیگنال را وقتی نوک میکروسکوپ حول آن حرکت می‌کند٬ مشاهده کرده و یک عکس را پدید می‌آورد.
تفسیری که در کنار این مطالعات منتشر شده٬ [3] کاربرد پیشرفته‌تری را پیش‌بینی می‌کند٬ یعنی: تصویربرداری از تک مولکول‌های داخل یاخته‌های زنده. همر فیلیپ٬ فیزیک‌حالت‌جامد‌دان از دانشگاه A&M تگزاس در College Station می‌نویسد: نانوبلورهای الماسی که به داخل یک سیتوپلاسم یاخته فروبرده می‌شود٬ اساساً قادر به تولید فیلم‌های زمان-واقعی فعالیتِ تک‌مولکول‌هاست٬ همانند چین‌خوردگی یک پروتئین.
بگفته‌ی کریستین دگن٬ کسی که فیزیک چرخش و تصویربرداری را در موسسه فناوری فدرال سوییس در زوریخ مورد مطالعه قرار می‌دهد: این‌ها آزمایشاتِ عظیمی هستند. وی خاطر نشان می کند که بسیار مشکل است که بتوان نقص نیتروژنی را دقیقاً در جای درستش قرار داد. به بیان او: کشمکش طولانی‌مدتی برای نیل به آن هدف وجود داشته است.
مراجع:
1. et al. Science 339, 561–563 2013.
2. et al. Science 339, 557–560 2013
3. Science 339, 529–530 .2013
منبع:
نویسنده:
کاترین ساندرسون
نویسنده خبر: بهنام زینال‌وند فرزین
کد خبر : 880
آمار بازدید: ۳۷۵
آمار بازدید: ۳۷۵
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
حامیان انجمن فیزیک ایران (به حامیان انجمن بپیوندید)
Server:
Iran (45.82.138.40)
