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A quantum spin-probe molecular microscope

机译:量子自旋探针分子显微镜

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摘要

Imaging the atomic structure of a single biomolecule is an important challenge in the physical biosciences. Whilst existing techniques all rely on averaging over large ensembles of molecules, the single-molecule realm remains unsolved. Here we present a protocol for 3D magnetic resonance imaging of a single molecule using a quantum spin probe acting simultaneously as the magnetic resonance sensor and source of magnetic field gradient. Signals corresponding to specific regions of the molecule's nuclear spin density are encoded on the quantum state of the probe, which is used to produce a 3D image of the molecular structure. Quantum simulations of the protocol applied to the rapamycin molecule (C51H79NO13) show that the hydrogen and carbon substructure can be imaged at the angstrom level using current spin-probe technology. With prospects for scaling to large molecules and/or fast dynamic conformation mapping using spin labels, this method provides a realistic pathway for single-molecule microscopy.
机译:成像单个生物分子的原子结构是物理生物科学领域的一项重要挑战。尽管现有技术都依赖于对大分子整体求平均值,但单分子领域仍未解决。在这里,我们介绍了使用量子自旋探针同时充当磁共振传感器和磁场梯度源的单分子3D磁共振成像协议。对应于分子核自旋密度特定区域的信号被编码在探针的量子状态上,该信号用于生成分子结构的3D图像。应用于雷帕霉素分子(C51H79NO13)的协议的量子模拟表明,使用当前的旋转探针技术,氢和碳亚结构可以在埃级别成像。有了使用自旋标记物缩放到大分子和/或快速动态构象作图的前景,该方法为单分子显微镜提供了现实的途径。

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