Białko na ilustracji wygląda zwykle jak nieruchoma, kolorowa wstążka. W komórce może się jednak zginać, otwierać i zamykać, wiązać z innymi cząsteczkami. Aby zrozumieć jego pracę, warto wiedzieć, jak zmienia kształt. Szczególnie trudno uchwycić zachowanie jednej molekuły, gdyż pomiar zbiera zazwyczaj wspólny sygnał od ogromnej ich liczby.

Konwencjonalna spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego pozwala badać budowę cząsteczek. Rejestruje odpowiedź jąder atomowych na odpowiednio dobrane impulsy w polu magnetycznym. Źródłem sygnału są ich spiny, czyli właściwości kwantowe związane z zachowaniem molekuł przypominającym maleńkie magnesy. Metoda dostarcza szczegółowych informacji, lecz zwykle opisuje właśnie zbiorowe zachowanie wielu cząsteczek.

Zespół kierowany przez prof. Szymona Pustelnego z Uniwersytetu Jagiellońskiego chce rozwinąć technikę zdolną badać obiekty w skali pojedynczych białek. W projekcie MRI-NOVA partnerami UJ są Uniwersytet w Ulm, Instytut Optyki Kwantowej Maxa Plancka w Garching bei München i Politechnika Federalna w Lozannie.

Kluczowym elementem będzie diament. Jego użyteczność wynika z precyzyjnie wprowadzonych niedoskonałości: miejsc, w których atom azotu sąsiaduje z pustym miejscem po atomie węgla. Stan spinowy takiego defektu można zmieniać za pomocą mikrofal. Aby go odczytać, oświetla się diament laserem i mierzy jasność światła emitowanego przez defekt, która zależy od jego stanu spinowego. Działa więc jak mikroskopijny czujnik magnetyczny. Umieszczony płytko pod powierzchnią kryształu może wykrywać sygnały od pobliskich cząsteczek lub przyłączonych do nich znaczników magnetycznych. Bliskość jest niezbędna, ponieważ pole pojedynczego takiego źródła bardzo szybko słabnie z odległością.

Samo wykrycie sygnału nie wystarczy do uzyskania obrazu. Trzeba jeszcze ustalić, skąd on pochodzi. Pomaga w tym pole magnetyczne, którego siła zmienia się w kontrolowany sposób z miejsca na miejsce. Spiny reagują na te różnice, co pozwala odróżnić sygnały pochodzące z różnych części próbki i odtworzyć obraz.

Takie sterowanie sprawdzono już w eksperymentach. Fizycy z UJ i ich zagraniczni współpracownicy opisali wyniki w pracy przyjętej do czasopisma „Physical Review X” (doi: 10.1103/hyrk-1ftz). Zmieniali ustawienie spinów w różnych miejscach diamentu, tworząc wzory przypominające spirale. Następnie śledzili ich zmiany i odtwarzali te wzory z rozdzielczością poniżej 20 nanometrów. Trudność polegała na tym, że gęsto rozmieszczone czujniki wpływały na siebie, co mogło zakłócać pomiar. Odpowiednio dobrane impulsy mikrofalowe pozwoliły jednak zapanować nad tym wzajemnym wpływem i uzyskać skoordynowane zachowanie wielu spinów. Było to możliwe mimo nieregularnego rozmieszczenia defektów w krysztale.

Dotychczasowe doświadczenia dotyczyły wnętrza diamentu. Kolejnym wyzwaniem będzie wykorzystanie tych czujników do badania cząsteczek znajdujących się nad jego powierzchnią. MRI-NOVA ma osiągnąć rozdzielczość około 10 nanometrów dla obiektów poza kryształem. To skala porównywalna z rozmiarami wielu białek. Dodatkowo badacze chcą mierzyć odległości między znacznikami magnetycznymi przyłączonymi do wybranych miejsc cząsteczki. Takie pomiary mogłyby pomóc odtwarzać jej strukturę i śledzić zmiany kształtu.

Jedną z przeszkód będzie ruch molekuł w cieczy: cząsteczka może odpłynąć, zanim uda się zebrać dane. Dlatego partnerzy projektu zamierzają wykorzystać nanokanały, które ograniczą jej ruch, zachowując pewną swobodę. Trzeba więc opanować zarówno zachowanie kwantowych czujników, jak i warunki panujące wokół badanego białka.

Projekt wybrano do finansowania w konkursie EIC Pathfinder Open 2026. Czteroletnie prace, z planowanym budżetem około 4 mln euro, mają rozpocząć się w styczniu 2027 roku. Ich celem będzie eksperymentalne sprawdzenie nowej metody. Jeśli się powiedzie, pozwoli zadawać pytania o przebieg pracy pojedynczej cząsteczki, a także o zmiany, które giną w uśrednionym sygnale wielu białek.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ zan/