Установки магнитно-резонансной томографии (МРТ) представляют собой современный и высокоэффективный инструмент для полной визуализации практически всех внутренних органов человеческого организма, а также диагностики широкого спектра заболеваний. Тем не менее, группа исследователей из Канады и США недавно продемонстрировала возможность применения данной технологии для наблюдения объектов микроскопического масштаба, включая отдельные молекулы. Разработанная ими технология МРТ обладает сверхвысоким разрешением — менее двух нанометров, что сопоставимо с шириной молекулы ДНК. Для достижения таких показателей ученые применили инновационный генератор магнитного поля и лазерный импульс, позволяющие идентифицировать специфические свойства атомных ядер и манипулировать ими в процессе проведения исследования.

Все это напоминает использование красителя, микроскопа и пинцета в технологии обычной оптической микроскопии, но в данном случае это работает в гораздо меньшем масштабе, позволяющем изучать свойства молекул биологических образцов и других микроскопических систем.

Технология МРТ позволяет получать изображения, используя эффект магнитного ядерного резонанса. Ядра некоторых атомов поглощают и повторно излучают радиоволны, находясь в среде сильного магнитного поля. Каждый из видов атомов излучает радиоволны с определенной длиной волны и в этих волнах заключена дополнительная информации о конфигурации электрических полей, окружающих этот атом. Использование МРТ-технологии на уровне отдельных атомов позволит проверить идентичность и изучить структуру молекул в мельчайших деталях, что, в свою очередь, позволит изучать работу таких сложных образований, как белки.

Как уже упоминалось выше, новая МРТ-технология работает за счет использования специального источника магнитного поля CFFGS (current-focusing field gradient source), который вырабатывает магнитное поле, градиент которого изменяется достаточно сильно с изменением расстояния. Это позволяет исследователям идентифицировать вторичное радиоизлучение от отдельных ядер атомов и получить высокоточные данные о том, из какого места пространства прибыли радиоволны. В этом деле используется сильно сфокусированный луч лазерного света, который и обеспечивает наноразмерную разрешающую способность, позволяет отделить полезный сигнал от помех, возникающих в результате влияния изменений магнитной составляющей окружающей среды.

К сожалению, съемка при помощи новой МРТ-технологии производится сейчас только в двух пространственных измерения. Но это не является проблемой, исследовательская группа уже подала патентную заявку на еще более новый метод, который позволяет вести съемку и в трех пространственных измерениях. Помимо этого, все эксперименты проводились при температуре в 4 Кельвина, при температуре, когда снимаемая молекула была полностью лишена возможности двигаться. Но в будущем исследователи планируют решить данный вопрос, и если им удастся поднять температуру, при которой проводится съемка, то при помощи новой технологии можно будет изучать динамику молекул и их превращений.

Однако, новая МРТ-технология, работающая в режиме статической съемки, может использоваться на практике для изучения и оптимизации структуры полупроводниковых приборов, другой электроники, микроэлектромеханических систем и массы других вещей микроскопического масштаба.

Для любознательных

Здесь есть важный нюанс: сама по себе клиническая МРТ (та, что делает снимки мозга или органов в больнице) не позволяет «заглянуть» на уровень единичной молекулы ДНК. Когда говорят, что МРТ помогла исследовать ДНК на таком уровне, имеют в виду развитие другого направления — ЯМР-спектроскопии (ядерный магнитный резонанс), которая лежит в основе МРТ, но используется совсем иначе.

Я поясню, в чём суть. В медицинской МРТ мы улавливаем сигнал от огромного количества протонов (ядер водорода) в тканях — и из этого «шума» собираем картинку органа. А в исследовательской ЯМР-спектроскопии учёные настраивают метод так, чтобы анализировать сигнал от одной-единственной молекулы ДНК (или комплекса ДНК с белком).

Для чего это нужно? Такой подход дал возможность детально изучать то, что раньше было недоступно:

• Тонкую структуру ДНК. Можно «рассмотреть», как устроена двойная спираль, где какие атомы находятся, как они ориентированы в пространстве.
• Динамику. Метод позволяет следить за тем, как молекула меняет форму — например, как ДНК переходит из одной конформации в другую (скажем, из обычной B-формы в Z-форму или образует G-квадруплексы — особые структуры в гуаниновых участках).
• Взаимодействия. С помощью ЯМР отлично видно, как ДНК связывается с другими молекулами — белками (например, факторами транскрипции или ферментами репарации), лекарствами или другими лигандами. Можно понять механизм этого взаимодействия, какие именно участки ДНК и какие атомы в партнёре за это отвечают.
• Повреждения. Метод помог изучать, как на ДНК влияют разные факторы (радиация, химические вещества) — какие возникают повреждения и как с ними справляются системы репарации в клетке.

Ключевое преимущество перед другими методами (например, рентгеновской кристаллографией) в том, что ЯМР работает с молекулами в растворе — то есть в условиях, близких к тем, что существуют внутри живой клетки. В кристалле структура биомолекул иногда искажается, а в растворе мы видим их «естественное» поведение.

Конечно, у метода есть ограничения: обычно он хорошо работает с относительно небольшими молекулами (порядка до 100 нуклеотидов), а для крупных комплексов требуются специальные приёмы. Но там, где нужна детальная информация о структуре, динамике и взаимодействиях в растворе, ЯМР-спектроскопия остаётся одним из самых мощных инструментов.

Так что фраза «МРТ позволила заглянуть на уровень единичной молекулы ДНК» — это скорее упрощение. Правильнее сказать: развитие методов ЯМР-спектроскопии дало учёным инструмент для изучения отдельных молекул ДНК, их структуры, динамики и взаимодействий в условиях, близких к живым.