Rewolucja w badaniu cząsteczek. Naukowcy z UJ z prestiżowym grantem na 4 miliony euro
Projekt kierowany przez prof. Szymona Pustelnego znalazł się wśród 43 przedsięwzięć wybranych do finansowania w prestiżowym konkursie EIC Pathfinder Open 2026. Jego budżet wynosi około 4 miliony euro.
Białka nie są sztywnymi strukturami, lecz zmieniają swój kształt podczas oddziaływania z innymi cząsteczkami i reakcji chemicznych. Ułożenie poszczególnych fragmentów białka bezpośrednio wpływa na jego działanie. Z tego powodu badaczy interesuje nie tylko sama budowa cząsteczki, ale również zmiany, które zachodzą w niej wraz z upływem czasu.
Pomiary pojedynczych molekuł mogą ujawnić różnice niedostrzegalne w sygnale pochodzącym z dużej liczby cząsteczek. Konwencjonalny rezonans magnetyczny dostarcza wprawdzie szczegółowych danych, jednak rejestrowany sygnał odzwierciedla jedynie zbiorowe zachowanie wielu spinów jądrowych. Krakowscy naukowcy zamierzają to zmienić i osiągnąć rozdzielczość przestrzenną 10 nanometrów dla obiektów znajdujących się poza diamentem. To skala porównywalna z rozmiarami wielu białek.
Sztuczne defekty w diamentach jako superczułe czujniki
Badacze planują opracować metody pomiaru odległości między wybranymi miejscami pojedynczych cząsteczek za pomocą znaczników magnetycznych. Uzyskane w ten sposób dane posłużą do odtwarzania trójwymiarowej struktury molekuł oraz śledzenia dynamiki ich zmian.
– Proponowana przez nas technika ma pozwalać obrazować obiekty w skali nanometrycznej i śledzić między innymi, jak cząsteczki przechodzą przez błony komórkowe oraz jak białka zmieniają się podczas reakcji chemicznych. Docelowo może umożliwić obserwowanie i wykonywanie rezonansu magnetycznego pojedynczej molekuły – mówi prof. Szymon Pustelny z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ.
Fundamentem rozwijanej technologii będą tak zwane centra barwne azot–wakancja (NV), czyli specyficzne defekty w sieci krystalicznej diamentu. Powstają one, gdy atom węgla zostaje zastąpiony atomem azotu, a sąsiednie miejsce w sieci pozostaje puste. Taki układ działa jak pseudoatom, reagując na lokalne pola magnetyczne, elektryczne czy zmianę temperatury. Dzięki tym właściwościom centra barwne NV sprawdzają się jako niezwykle czułe sensory.
Aby zrealizować postawiony cel, krakowski zespół przygotuje cienką warstwę zawierającą wiele centrów NV tuż pod powierzchnią diamentu. Umożliwi to dokładny pomiar pól pochodzących od obiektów znajdujących się tuż nad diamentową płytką. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ pole magnetyczne generowane przez pojedyncze cząstki jest bardzo słabe i gwałtownie słabnie wraz ze wzrostem odległości.
Przełom w walce z chorobami i tworzeniu leków
Sama czułość czujników nie wystarczy jednak do uzyskania precyzyjnego obrazu. Kluczowe jest również dokładne ustalenie, z którego miejsca pochodzi rejestrowany sygnał. W tym celu fizycy z UJ zaprojektowali autorską metodę przygotowania centrów barwnych, wykorzystującą kontrolowane gradienty pola magnetycznego.
Zmienne pole magnetyczne pozwoli przygotowywać centra w różnej skali odległości, co otworzy drogę do pełnej rekonstrukcji sygnału generowanego przez molekuły w nanoskali.
Inicjatywa pod nazwą MRI-NOVA koncentruje się na opracowaniu i eksperymentalnym sprawdzeniu nowych metod pomiarowych. Nie jest to projekt budowy gotowego urządzenia diagnostycznego dla szpitali. Jeśli badania zakończą się sukcesem, nowa technologia znajdzie zastosowanie w badaniach nad białkami zmieniającymi kształt w czasie, w tym białkami powiązanymi z chorobami neurodegeneracyjnymi.
Wyniki mogą okazać się niezwykle cenne również w badaniach chemicznych oraz podczas projektowania nowej generacji leków.
Przedsięwzięcie MRI-NOVA będzie realizowane przez międzynarodowe konsorcjum czterech instytucji pod przewodnictwem Uniwersytetu Jagiellońskiego. W pracach prowadzonych na UJ uczestniczy także dr Piotr Put. Partnerami projektu są Uniwersytet w Ulm (zespół prof. Fedora Jelezki), Instytut Optyki Kwantowej Maxa Plancka (zespół prof. Ignacia Ciraca) oraz Politechnika Federalna w Lozannie – EPFL (zespół prof. Aleksandry Radenovic).
Na realizację czteroletnich badań przewidziano budżet w wysokości około 4 mln euro, z czego 1,4 mln euro trafi bezpośrednio do Uniwersytetu Jagiellońskiego. Start prac zaplanowano na 1 stycznia 2027 roku.
