Nukleární magnetická rezonance nepracuje s radioaktivitou

Metoda využívá magnetických vlastností jader atomů. Některá jádra totiž mají vlastní magnetický moment a chovají se jako malé magnetky.Víte, že Středoevropský technologický institut Masarykovy univerzity provozuje nejlépe vybavené laboratoře pro spektroskopii nukleární magnetické rezonance (NMR) východně od Frankfurtu nad Mohanem?

Národní NMR centrum Josefa Dadoka, umístěné v bohunickém kampusu v Brně, je vybaveno šesti spektrometry s pracovními frekvencemi 500 až 950 megahertzů. Spektrometrů nejvyšší kategorie 950 MHz je na světě pouze osm, čtyři z nich v Evropě. Podobně vybavené laboratoře se nacházejí ve Frankfurtu, Florencii, Utrechtu, Lyonu a Cambridge.

Metoda, která se využívá pro analýzu složení nejrůznějších látek až na úrovni atomů nese sice ve svém názvu slovo nukleární čili jaderná, využívá však zcela jiných vlastností jader atomů než například jaderná energetika a nepracuje s radioaktivitou. Ke zkoumaným látkám je metoda velmi šetrná a nedestruktivní.

Je založena na stejném principu jako magnetická rezonance používaná k vyšetření pacientů v nemocnicích. Místo zobrazení tkání však zkoumá objekty daleko menší – atomy a molekuly. Dovede odhalit, jak jsou jednotlivé atomy v molekule vázány, jak jsou daleko od sebe, jaké úhly jednotlivé chemické vazby vzájemně svírají a podobně, takže výsledkem je kompletní trojrozměrný model molekuly. Umožňuje též zkoumat pohyby molekul jako celku nebo jejich částí vůči sobě.

Metoda využívá magnetických vlastností jader atomů. Jádra některých atomů mají totiž vlastní magnetický moment, chovají se tedy jako malé magnetky, a pokud jsou vloženy do vnějšího magnetického pole, orientují se podobně jako střelka kompasu v magnetickém poli Země. Tuto orientaci magnetických momentů lze změnit, dodáme-li jádrům vhodným způsobem energii.

V NMR se tato energie dodává ozařováním pomocí radiofrekvenčního záření, podobného tomu, jaké se používá k vysílání rozhlasového nebo televizního signálu. Přístroje se potom standardně označují frekvencí používanou k ozařování jader vodíku. Spektrometr 950 MHz tedy znamená, že k měření spekter vodíku je nutno ozařovat frekvencí 950 MHz. Tato frekvence závisí na intenzitě magnetického pole, do kterého je vzorek vložen, a v uvedeném příkladu se jedná o magnetické pole 22,3 Tesla, tedy přibližně 450tisíckrát silnější než magnetické pole Země.

Přístroj využívá magnetické pole 22,3 Tesla, tedy přibližně 450tisíckrát silnější než magnetické pole Země.Čím vyšší je magnetické pole a frekvence, tím vyšší je citlivost a rozlišení přístroje. Cenné informace se získávají na základě faktu, že tyto frekvence nejsou stejné ani pro všechna jádra jednoho druhu v molekule, nýbrž se liší v závislosti na tom, jak je daný atom v molekule vázán, s kterými atomy sousedí apod. Tyto informace lze potom analýzou spekter získat.

Rozdíly frekvencí jednotlivých atomů jsou však velmi malé – liší se pouze o miliontiny neboli ppm. Měření tedy musí být velmi přesná, což je spolu se složitou technologií supravodivých magnetů potřebných k vytváření silných magnetických polí příčinou vysoké ceny přístrojů.

Již zmíněný 22,3 T magnet je vysoký téměř 4 metry a váží více než 7 tun. Až komicky může působit, že vzorek, který se do tohoto obrovského přístroje vkládá, je skleněná kyveta o průměru 5 mm, obsahující přibližně 0,5 ml roztoku, v němž je rozpuštěno třeba jen 10 mg zkoumané látky.

Co se tím vším zkoumá
Přístroje v Národním NMR centru se používají hlavně pro účely strukturní biologie ke zkoumání bílkovin a nukleových kyselin – DNA a RNA. Tyto biologické makromolekuly sestávají z tisíců atomů a jsou často získávány pouze v malých množstvích nebo jsou špatně rozpustné. Pro zkoumání takových vzorků hraje dostupnost přístrojů nejvyšší kategorie s jejich vysokým rozlišením a citlivostí často zásadní roli.

Vědci a studenti Masarykovy univerzity v poslední době studovali pomocí NMR spektroskopie například proteiny umožňující působení feromonů u myší a bource morušového, protein z ječmene zodpovědný za vytváření pivní pěny, protein důležitý pro přenos stimulů v rostlinách, proteiny a jejich komplexy regulující syntézu RNA nebo struktury nacházející se v částech DNA zvaných telomery, které pomáhají chránit buňku před vznikem rakoviny. Velká pozornost je věnována též metodickému výzkumu, tedy jak měřit spektra efektivněji a s co nejvyšší informační hodnotou.

Přístup k přístrojům není omezen pouze na pracovníky centra Ceitec. V rámci projektu Bio-NMR 7. rámcového programu EU mohou spektrometry a další vybavení využívat vědci z ostatních členských a přidružených zemí EU a v rámci projektu Open Access financovaného ministerstvem školství i pracovníci ostatních akademických institucí z České republiky a celého světa. Neakademická pracoviště mohou využít služeb Centra na komerční bázi za úhradu.

Autor je vedoucí Národního NMR centra Josefa Dadoka v CEITEC MU.

Masarykova univerzita | Masaryk university