A new imaging technique using quantum science may lead to novel drug therapies and treatment options, a recent study has found.
Researchers at the University of Waterloo and supported by Transformative Quantum Technologies have demonstrated the feasibility of Nuclear Magnetic Resonance diffraction (NMRd) to investigate the lattice structure of crystalline solids on an atomic scale, a feat that had only been possible for larger-scale imaging applications like Magnetic Resonance Imaging (MRI).
“NMRd was proposed in 1973 as a method to study the structure of materials,” said Dr. Holger Haas, one of the lead authors of the study and alumnus of the Institute for Quantum Computing (IQC) in Waterloo, now at IBM. “At the time, the authors discarded their idea as ludicrous. Our work comes tantalizingly close to realizing this crazy idea of theirs - we have shown that it is possible to study structures on an atomic length scale over sample volumes that are relevant for many biological and physical systems.
“NMRd opens up a tremendous variety of capabilities in many research directions, including studying both nanocrystals and organic compounds,” added Haas. The ability to image biological structures, like protein molecules and virus particles, on the atomic scale can advance the understanding of their function and potentially lead to new drug therapies and treatment options.
NMRd works by exploiting a property in nuclei called spin, a fundamental unit of magnetism. When placed in a magnetic field, the nuclei essentially act as magnets due to this spin. A time-varying magnetic field can perturb the spins, changing the angle of the spin – in technical terms, this is called encoding a phase in each spin. At a particular encoding time, all spins will point back to the initial direction. When this occurs, a diffraction echo is observed, a signal that can be measured to find the lattice constant and shape of the sample. Each nucleus will produce a unique signal, which can be used to discern the structure of the molecule.
The challenge in achieving atomic-scale NMR was the difficulty of encoding large relative phase differences between neighbouring nuclear spins on the atomic scale, meaning that a diffraction echo could not be observed. The researchers overcame this limitation by using quantum control techniques and generating large, time-dependent magnetic field gradients. With this, they could encode and detect the atomic scale modulation in an ensemble of two million spins and measure the displacement of the spin ensemble in a sample with subatomic precision.
This research represents substantial progress in establishing atomic-scale NMR as a tool for studying material structure.
Sahand Tabatabaei, co-lead of the study and PhD student at IQC and Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, adds, “now that we are close to being able to do NMRd on a lattice at the atomic length scale, we can also really start studying more fundamental quantum physics, like quantum transport phenomena and quantum many-body physics, at the atomic length scale, which hasn’t been done before on samples of this size.”
The study, Nuclear magnetic resonance diffraction with subangstrom precision, co-authored by Haas, Tabatabaei, Dr. William Rose, Dr. Pardis Sahafi, Dr. Michèle Piscitelli, Andrew Jordan, Pritam Priyadarsi, Namanish Singh, Dr. Ben Yager, Dr. Philip J. Poole, Dr. Dan Dalacu, and Dr. Raffi Budakian, appears in the Proceedings of the National Academy of Sciences. This research was undertaken thanks in part to funding from the Canada First Research Excellence Fund.
This story was first published on Waterloo News.
L’IRM subatomique pourrait mener à de nouvelles thérapies médicamenteuses
Selon une étude récente, une nouvelle technique d’imagerie qui fait appel à la physique quantique pourrait mener à de nouvelles thérapies médicamenteuses et à de nouvelles options de traitement.
Des chercheurs de l’Université de Waterloo, soutenus par Technologies quantiques transformatrices, ont démontré que la diffraction par résonance magnétique nucléaire (dRMN) permet d’étudier la structure réticulaire de solides cristallins à l’échelle atomique, exploit qui n’était jusqu’alors possible que pour des applications d’imagerie à plus grande échelle telle que l’imagerie par résonance magnétique (IRM).
« La dRMN a été proposée en 1973 comme méthode d’étude de la structure de matériaux », a déclaré l’un des principaux auteurs de l’étude, Holger Haas, Ph.D., ancien de l’Institut d’informatique quantique (IQC) à Waterloo, maintenant chez IBM. « À l’époque, les auteurs ont écarté cette idée, la croyant ridicule. Nos travaux sont très près de réaliser leur idée folle : nous avons montré qu’il est possible d’étudier des structures à l’échelle atomique sur des échantillons dont le volume est pertinent pour de nombreux systèmes biologiques et physiques.
« La dRMN ouvre une formidable variété de possibilités de recherche, y compris l’étude de nanocristaux et de composés organiques » [traduction], a ajouté M. Haas. La capacité de produire des images à l’échelle atomique de structures biologiques, par exemple des molécules de protéines et des particules virales, peut faire progresser la compréhension de leur fonctionnement et potentiellement mener à de nouvelles thérapies médicamenteuses et à de nouvelles options de traitement.
La dRMN exploite une propriété des noyaux atomiques appelée spin, une unité fondamentale du magnétisme. En raison de ce spin, les noyaux se comportent essentiellement comme des aimants lorsqu’ils sont plongés dans un champ magnétique. Un champ magnétique variable dans le temps peut perturber les spins en modifiant leur angle — ou, en termes techniques, en codant une phase dans chaque spin. À un moment particulier du codage, tous les spins reviennent à leur direction initiale. Lorsque cela se produit, on observe un écho de diffraction, signal que l’on peut mesurer pour trouver la constante de réseau et la forme de l’échantillon. Chaque noyau produit un signal qui lui est propre, ce qui permet de discerner la structure de la molécule.
Le défi de la RMN à l’échelle atomique venait de la difficulté à coder à l’échelle atomique de grandes différences de phase relatives entre spins nucléaires voisins, de sorte que l’on ne pouvait pas observer un écho de diffraction. Les chercheurs ont surmonté cette limitation en utilisant des techniques de contrôle quantique et en produisant d’importants gradients de champ magnétique en fonction du temps. Cela leur a permis de coder et détecter la modulation à l’échelle atomique dans un ensemble de 2 millions de spins, ainsi que de mesurer avec une précision atomique le déplacement de l’ensemble des spins dans un échantillon.
Ces travaux représentent un progrès substantiel dans l’établissement de la RMN à l’échelle atomique comme outil d’étude de la structure des matériaux.
Sahand Tabatabaei, coresponsable de l’étude et doctorant à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, ajoute : « Maintenant que nous sommes sur le point de pouvoir faire une dRMN à l’échelle atomique d’une structure réticulaire, nous pouvons aussi commencer à étudier à l’échelle atomique des phénomènes plus fondamentaux, par exemple le transport quantique et la physique de systèmes quantiques à N corps, ce qui n’a jamais été fait auparavant sur des échantillons de cette taille. » [traduction]
L'article intitulé Nuclear magnetic resonance diffraction with subangstrom precision (Diffraction par résonance magnétique nucléaire, avec une précision de moins d’un angström) — dont les auteurs sont : Holger Haas; Sahand Tabatabaei; William Rose, Ph.D.; Pardis Sahafi, Ph.D.; Michèle Piscitelli, Ph.D.; Andrew Jordan; Pritam Priyadarsi; Namanish Singh; Ben Yager, Ph.D.; Philip J. Poole, Ph.D.; Dan Dalacu, Ph.D.; Raffi Budakian, Ph.D. — a été publié dans les Actes de l’Académie nationale des sciences des États-Unis. Ces recherches ont été financées en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada.
Le présent article a d’abord été publié en anglais dans Waterloo News.