Tahke keha tuumamagnetresonants (TMR) on uurimismeetod, mida on agaralt kasutatud juba üle poole sajandi ja mis sobib ka selliste keeruliste ainete uuri­miseks, mis mängivad oma osa bioloogias ja meditsiinis, kirjutab Eesti Päevaleht.

See meetod põhineb asjaolul, et paljude tähtsate aatomite tuumad on tillukesed spinni­omadustega magnetid. Nagu keerlevad vurrikesed püüavad need säilitada oma pöörlemistelje suunda. Kui seda suunda muuta, hakkavad nad ümber endise pöörlemistelje pretsesseerima ehk vänderdama. Nii juhtub, kui magnetiliste tuumade kogum pista tugevasse magnetvälja. Tuumade vänderdamise sagedus sõltub aatomi tüübist ja magnetvälja tugevusest, s.t ümbrusest, milles tuum paikneb. Seda sagedust saab äärmiselt täpselt mõõta, rakendades teist magnetvälja ja otsides selle resonantsi.

Nii saab TMR-i spektritest välja lugeda molekuli ehitust ja käekäiku. „Tahke keha tuumaresonantsi mõõtmistehnoloogiad on arenenud päris hästi," ütleb keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi (KBFI) teadlane Ago Samoson. Kuid see ei tähenda, et neid ei peaks täiustama.

Meetodi piiratud tundlikkuse tõttu vajatakse mõõtmiseks suhteliselt palju ainet. Tavaelus on üks mikromool küll väga väike kogus, millega kunagi arvestama ei pea, ent sellist kogust biomolekule kokku saada on sageli raske. TMR-i tundlikkust on kavalate nippidega pidevalt suurendatud, näiteks proovi ülikiire pööritamisega magnetvälja suhtes nn maagilise nurga all. Selle arendamisse maailmas on oma panuse andnud ka meie KBFI raadiospektroskoopia rühma teadlased.

Tugev magnetväli peab olema väga ühtlane, sest ebaühtlus udustab mõõtmise silmanägemist. Üks võimalus selle nägemise teravdamiseks on pööritada mõõdetava aine proovi maagilise nurga all. KBFI-s osatakse proovi pööritada hästi kiiresti. Praeguseks on saavutatud mõõdetava tillukese ainekoguse pööritamine katsetingimustes kuni maailmarekordilise kiiruseni 80 000 pööret sekundis. Teist nii tugevat magnetvälja Eestis ei ole. Pööritamisega ei tegelda lõbu pärast, vaid selleks, et uuritava aine kõige väiksemadki osakesed oleksid seadmele nähtavad.

„See info aine kohta on nagu inimese isikukood. Me filtreerime uuritavast infost välja aineomase parameetri," ütleb Samoson.

Eesmärk on saada võimalikult täpset teavet molekulide omavaheliste seoste, nende liikumise, molekuli enda struktuuri ja atomaarse koostise kohta. Kui uuritav objekt on mitmekesine, siis eri molekulid võivad anda väga kattuvat infot, ja neid ei saa eristada.

Üks vähese tundlikkuse põhjusi on, et skaneerimiste ehk proovile peale lastavate impulsside vahel vajab aine suhteliselt pikka, kuni neljasekundilist rahuaega, et magnetiseerumisest taastuda. Nõnda moodustab rahuaeg ehk relaksatsiooniaeg, mil mingit mõõtmist ei toimu, eksperimendi koguajast koguni kuni 99%.

Äsja teadusajakirjas Nature Methods avaldatud artiklis, mille autorite seas on ka KBFI teadlased Jaan Past ja Ago Samoson, pakutakse välja uudne nõks, kuidas relaksatsiooniaega vä­hen­dada ja hoopis tugevama signaali saamiseks ära kasutada. Nimelt on tänu proovi ülikiirele pööritamisele kiirusega 40 000 pööret sekundis võimalik teravate spektrijoonte saamiseks kasutada ainult väga väikese võimsusega impulsse.

Neid võib siis ka hoopis sagedamini proovile suunata, ilma et tekiks näiteks valkude denatureerimist kuumuse mõjul. Illinoisi ülikooli rühm eesotsas Yoshitaka Ishiiga lühendas oluliselt valkude relaksatsiooniaega paramagnetiliste lisanditega. Meie teadlaste hooleks oli just nendeks mõõtmisteks sobiva TMR-aparatuuri väljamõtlemine ja valmistamine. Katsetest selgus, et nõnda võib mõõtmisaega või vastavalt ka uuritavate molekulide arvu kuni 20 korda vähendada, viies vajaliku koguse mõne nanomoolini. Näiteks ei ole vaja rohkem kui üks sajandik kuupmillimeetrit munavalge valku, et selle struktuuri oleks nüüd võimalik tuvastada.

Siiani on selle TMR-meetodiga õnnestunud uurida vaid molekule, mis on kuni kaks korda pisemad kui keskmine inimese valgu suurus.

Lisandiks kasutati ühe orgaanilise molekuli EDTA ja vase ühendit, mis osutus väga üldiseks võimaluseks. Valgumolekulid tunnevad end kõige paremini just sellises veesärgis, millesse Cu-EDTA mahub parasjagu vabalt ringi ujuma, ega avalda ei valgu struktuurile ega spektrijoontele märgatavat  mõju.

Töös uuriti, kas selle meetodiga saab mõõta ka mõnede haiguste tekkel väga oluliste ainete, amüloidide omadusi. Amüloidid on lahustumatud aminohappekettide klombid, mis ei ole suutnud töövõimelise valgu struktuuri hoida või saavutada. Nende kogunemine organitesse võib mängida oma osa neurodegeneratiivsete haiguste nagu Alzheimeri, Parkinsoni ja hullulehmatõve tekkes, kuid ka südame arütmia ja veresoonte lupjumise, 2. tüüpi diabeedi ja paljude teiste haiguste korral. Need molekulid kogunevad tavaliselt pikkadesse, mõne nanomeetrise läbimõõduga kiududesse, olles tõelised nanomaailma tegelased.

„Vaidlesime kaasautoritega päris pikalt, mida vastavalt ajakirja rangetele mahupiirangutele kirja panna ja mis jääb välja, kuna töö on mitmes muuski mõttes struktuurbioloogia jaoks murranguline," ütleb Ago Samoson ja lisas, et sellest tekkis ka uusi häid mõtteid. „Aparatuuri edasiarendamisega saame ha­kata uurima paljusid teisi nanoobjekte, näiteks rakumembraanide väravaid ja se­mafore. Siis saaks näha selliseid struktuuriomadusi, mille jaoks muidu võimalused üldse puuduvad."