다이아몬드 로터는 단백질 연구에 새로운 변화를 가져올 수 있습니다

수십 년 동안 핵자기공명(NMR) 분광학은 복잡한 생물학적 화합물의 원자 구조를 연구하는 데 사용되는 핵심 기술 중 하나였습니다. 가장 널리 사용되는 기술인 고체 NMR은 분석할 물질을 작은 원통형 로터 내부에 넣은 다음 고주파수로 회전시키는 방법입니다. 그러나 고체 NMR의 가장 큰 한계는 로터가 부서지기 전에 회전할 수 있는 속도이며 이는 로터 재료의 강도에 따라 달라집니다.

이제 MIT의 비트 및 원자 센터와 MIT 화학과의 연구원들은 단일 다이아몬드 결정으로 로터를 제작하는 방법을 찾았습니다. 이 로터는 이미 사용 중인 로터보다 작고 강합니다. 또한 훨씬 더 높은 주파수에서 회전할 수 있어 분해능이 증가하고 샘플 수집 시간이 단축된다고 연구 저자는 말합니다. 그들의 연구는 Journal of Magnetic Resonance 2023년 7월호에 게재되었습니다.

고체 NMR에 사용되는 기술 중 하나는 향상된 분해능과 감도를 제공하는 매직 앵글 스피닝(magic-angle Spinning)입니다. 이 기술에서는 분석 대상 물질로 실린더를 채운 후 실린더를 자기장에 매달고 무선 주파수 펄스에 노출되면서 (보통) 질소 가스 제트를 사용하여 회전시킵니다. 원통은 적용된 자기장에 대해 정확히 54.74도의 "마법의" 각도로 회전하며, 이 각도에서 원자 구조를 가장 명확하게 측정하는 것이 가장 쉽습니다.

지난 수십 년 동안 매직 앵글 스피닝 NMR용 로터는 고성능 세라믹 소재인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 만들어졌습니다. 직경이 0.7mm(연필심 정도 크기)이고 중앙에 샘플을 넣을 수 있는 구멍이 있는 이 로터는 최대 회전 속도가 약 111킬로헤르츠, 즉 분당 700만 회전입니다. 이러한 속도에서 YSZ 로터는 약 절반의 시간 동안 파손되는 경향이 있습니다. 특히 샘플 및 NMR 코일과 함께 폭발합니다. 논문의 저자 중 한 명인 Zachary Fredin은 "고체 NMR에서는 아주 오랫동안 그래왔습니다. 모든 종류의 문제가 사라지고 수천 달러의 피해를 입힙니다"라고 말합니다.

단결정 다이아몬드로 로터를 만드는 것은 한동안 흥미로운 선택이었습니다. 다이아몬드는 매우 단단할 뿐만 아니라 테라헤르츠 방사선에 대한 투과성이 훨씬 더 높고 열 전도성도 크기 때문입니다. 항상 도전 과제는 다이아몬드 결정을 통해 종횡비가 높은 구멍을 뚫는 방법이었습니다. 2019년 당시 비트 및 원자 센터의 학생이었던 Prashant Patil은 레이저 미세 가공을 사용하여 이러한 구멍을 뚫는 방법을 발견했습니다. Fredin은 이것이 상당히 예상치 못한 결과였으며 마법각 회전 NMR을 위한 다이아몬드 로터를 제작할 수 있는 길을 열었다고 말합니다.

단결정 다이아몬드 로터는 지금까지 속을 비우는 것이 어렵기 때문에 실현 불가능했습니다. 구멍은 정확해야 합니다. 결함이 있으면 로터가 회전하는 동안 로터가 부서질 정도로 불안정해질 수 있습니다.MIT

YSZ 로터와 마찬가지로 다이아몬드 로터의 직경은 0.7mm이지만 잠재적으로 훨씬 더 빠르게 회전할 수 있습니다. "이론적으로 다이아몬드 [로터]는 [YSZ 로터 속도]의 3~4배까지 좋아야 하며 250~300kHz까지 편안하게 회전할 수 있어야 합니다."라고 Fredin은 말합니다. 그러나 테스트에서 연구원들은 구동 가스인 질소의 음속의 제한으로 인해 최대 124kHz(또는 850만 RPM)까지만 회전할 수 있었습니다.

MIT 화학과 대학원생이자 또 다른 공동저자인 나탈리 골로타(Natalie Golota)는 "베어링 시스템에는 상당한 마찰이 있는데 이것이 여기서 첫 번째로 고려되는 사항입니다"라고 말했습니다. "[그 속도에는] 상당한 난기류가 있기 때문에 우리는 로터가 음속보다 빠르게 움직이는 것을 원하지 않습니다." 헬륨 가스를 사용하면 회전 주파수를 3배 빠르게 만들 수 있습니다. 헬륨의 음속은 질소의 음속의 약 3배이기 때문입니다.

그러나 연구원들은 질소와 헬륨의 조합, 순수한 헬륨을 사용하고 질소에서 시작하여 헬륨으로 전환하여 로터를 테스트하면서 또 다른 설계 한계에 직면했습니다. 로터를 지지하는 에어 베어링의 구멍은 질소용으로 설계되었습니다. Golota는 "남은 가장 큰 과제는 헬륨 호환 베어링 시스템을 갖추고 헬륨 가스의 증가된 음속을 실제로 활용할 수 있도록 로터 베어링 역학을 변경해야 한다는 것"이라고 말합니다. 그녀는 이것이 "게임 체인저"가 될 것이라고 덧붙였습니다. "100% 헬륨 가스를 사용하는 다이아몬드 로터는…또한 매우 높은 해상도의 데이터와 샘플에 대한 많은 강력한 정보를 제공할 수 있습니다."