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.