Технологія МРТ відома фізикам вже давно, але її справжній потенціал починає розкриватися тільки зараз. За допомогою томографа та лазерної установки вчені сфотографували молекулу в ультрависокому дозволі.
Апарати магнітно-резонансної томографії (МРТ) у лікарнях відмінно справляються зі створенням зображень людського тіла. Протягом десятиліть вчені сподівалися, що та ж технологія може бути використана для вивчення набагато більш дрібних речей, приміром окремих молекул. Очікування виправдалися: команда дослідників з Канади та Сполучених Штатів розробила новий метод МРТ з роздільною здатністю до двох нанометрів — шириною однієї нитки ДНК.
Щоб вивчити властивості атомних ядер, вчені об’єднали спеціальний генератор магнітного поля і лазерну установку. Винахід можна порівняти зі свого роду ідеальним набором барвників, мікроскопа і пінцета, які дозволяють створювати неймовірно детальні зображення того, як протони ведуть себе в просторі шириною всього 2 нанометра. Подібна установка — універсальний інструмент для вивчення характеристик молекул не тільки біологічних, але і будь-яких інших мікроскопічних системах.
Зображення в ході магнітно-резонансної томографії виходить з використанням ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Ядра деяких атомів поглинають і повторно випромінюють радіохвилі в сильному магнітному полі. Розуміння характеристик випромінюваних радіохвиль, як і їх довжини, дає інформацію про складну будову електричних полів навколо атомів. У великих масштабах це дозволяє отримати чудові фотографії структури тканин, у малих — визначити будову і особливості окремих молекул. Саме тому вчені мають намір довести МРТ до найменшої можливої довжини хвилі, щоб мати можливість вивчати структуру таких маленьких об’єктів, як білки і полісахариди.
Згідно статті, опублікованій в журналі Physical Review X командою на чолі з Раффі Будакяном (Raffi Budakian), професором Інституту квантових обчислень Ватерлоо, справжнє завдання роботи — визначення фундаментальних властивостей частинок, породжуваних магнітним полем, т. зв. «спінів». Отже, в чому ж полягає суть дослідження? Інструмент, званий джерелом градієнта поля фокусування струму (CFFGS), створює сильне магнітне поле, яке швидко змінюється на короткі відстані. Це дозволило дослідникам з високою роздільною здатністю ідентифікувати частоти радіовипромінювання ядер і їх джерела. Вони піддали зразки «бомбардуванню» лазерними імпульсами, що дало контроль за спінами протонів в наномасштабі і дозволило відокремити їх від впливу навколишнього магнітної середовища. Це не єдиний спосіб візуалізації молекул в такому масштабі, однак саме він відмінно демонструє справжній потенціал МРТ.
Аня Блешински Джейич (Ania Bleszynski Jayich), головний дослідник лабораторії квантової оцінки зображень в Каліфорнійському університеті Санта-Барбари, зазначає, що найприємніша особливість нової роботи — це те, що вона дійсно зачіпає деякі з обмежень інших методів, що працюють з нано-МРТ. Зображення, отримане в результаті дослідів команди Будакяна, було зроблено тільки в одному вимірі, але вчені не хочуть зупинятися на цьому. Раффі заявляє, що група вже подала патент на технологію, що демонструє візуалізацію в трьох вимірах. З недоліків він відзначає те, що експеримент проводився в умовах всього на 4 градуса вище абсолютного нуля — більш динамічні фізичні процеси МРТ поки не під силу.
Що ця робота означає для науки в цілому? Її головна перевага полягає в тому, що вона дозволяє вийти за рамки фотографування виключно біомолекул. Фахівці вважають, що вже в найближчому майбутньому такий метод може бути вкрай корисний для оптимізації напівпровідників або інший мікроскопічної електроніки. За фактом, це принципово новий спосіб складання характеристик об’єктів в малому масштабі.