Rezonans dla pojedynczej cząsteczki. Projekt fizyków z UJ wybrany do finansowania przez EIC
Fizycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego chcą opracować metodę rezonansu magnetycznego, która pozwoli badać pojedyncze cząsteczki z rozdzielczością około 10 nanometrów. Projekt MRI-NOVA, kierowany przez prof. Szymona Pustelnego, znalazł się wśród 43 przedsięwzięć wybranych do finansowania w konkursie EIC Pathfinder Open 2026 – poinformował UJ 22 października 2026 r.
Czego nie widać w zwykłym rezonansie?
Rezonans magnetyczny – zarówno ten znany ze szpitali, jak i spektroskopia NMR używana w laboratoriach chemicznych – wykorzystuje to, że jądra niektórych atomów zachowują się jak maleńkie magnesy. Ich własność zwaną spinem można „podsłuchać”, umieszczając próbkę w polu magnetycznym i pobudzając ją falami radiowymi. O tym, z czego składa się atom i czym jest jego jądro, piszemy w artykule o budowie atomu.
Problem polega na skali. Konwencjonalny rezonans rejestruje sygnał pochodzący od ogromnej liczby spinów jądrowych. Wynik odzwierciedla więc zbiorowe zachowanie ogromnej liczby cząsteczek, a nie jednej z nich. Tymczasem – jak podkreśla UJ – pomiary pojedynczych molekuł mogą ujawnić różnice, które w uśrednionym sygnale giną.
Dlaczego białka są tu tak ważne?
Białka nie są sztywnymi rzeźbami. Zmieniają kształt podczas reakcji chemicznych i w kontakcie z innymi cząsteczkami, a ułożenie poszczególnych fragmentów decyduje o tym, jak działają. Dlatego naukowców interesuje nie tylko sama budowa białka, ale też zmiany zachodzące w czasie. Jak skomplikowane potrafią być te struktury, pokazywał niedawno zespół z UW, opisując najbardziej splątane białka w przyrodzie.
Zespół z Krakowa chce osiągnąć rozdzielczość 10 nm dla obiektów znajdujących się nad powierzchnią czujnika. To skala porównywalna z rozmiarami wielu białek. Badacze zamierzają także opracować sposób mierzenia odległości między wybranymi miejscami pojedynczej cząsteczki za pomocą znaczników magnetycznych. Takie dane mogłyby pomóc w odtwarzaniu trójwymiarowej struktury molekuł i śledzeniu zmian ich kształtu.
„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” – mówi prof. Szymon Pustelny z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ, cytowany w komunikacie uczelni.
Jak diament może zostać czujnikiem?
Sercem metody mają być centra barwne azot-wakancja (NV). To defekty w sieci krystalicznej diamentu: jeden atom węgla jest zastąpiony atomem azotu, a sąsiednie miejsce w sieci pozostaje puste. Taki układ zachowuje się jak sztuczny atom, którego stan zależy od lokalnego pola magnetycznego, elektrycznego i od temperatury. Odczytuje się go światłem – centra NV świecą, a jasność tego świecenia zmienia się pod wpływem pola.
Naukowcy przygotują cienką warstwę z wieloma centrami NV tuż pod powierzchnią diamentu. Bliskość jest kluczowa, bo pole magnetyczne pojedynczej cząsteczki jest bardzo słabe i szybko maleje wraz z odległością. Sama czułość nie wystarczy jednak do uzyskania obrazu – trzeba jeszcze wiedzieć, skąd pochodzi sygnał. Dlatego zespół z UJ zaprojektował sposób przygotowania centrów barwnych za pomocą kontrolowanych gradientów pola magnetycznego, czyli pola zmieniającego się w zależności od położenia. Podobna sztuczka – kodowanie miejsca przez gradient pola – stoi za obrazowaniem w klasycznym rezonansie.
Kto i za ile będzie to robił?
Projekt zrealizuje konsorcjum czterech instytucji. Koordynatorem jest UJ, gdzie w badaniach uczestniczy także dr Piotr Put. Partnerami są Uniwersytet w Ulm (zespół prof. Fedora Jelezki), Instytut Optyki Kwantowej Maxa Plancka (zespół prof. Ignacia Ciraca) oraz politechnika EPFL w Lozannie (zespół prof. Aleksandry Radenovic). Czteroletni budżet wynosi ok. 4 mln euro, z czego 1,4 mln euro przypada na UJ. Prace mają ruszyć na początku 2027 r. W konkursie EIC Pathfinder Open 2026, finansowanym z programu Horyzont Europa, spośród 2103 wniosków wybrano 43 projekty.
Ograniczenia
To zapowiedź projektu, a nie wynik badań – metoda dopiero ma powstać, a 10 nm to cel, nie osiągnięty rezultat. Według UJ konsorcja przygotowują obecnie umowy grantowe i finansowanie będzie możliwe po ich podpisaniu. MRI-NOVA koncentruje się na opracowaniu i sprawdzeniu nowych metod pomiarowych; uczelnia zaznacza, że nie jest to projekt budowy gotowego urządzenia diagnostycznego. Ewentualne zastosowania w badaniach białek czy w chemii są odległą perspektywą.
Źródła i daty
- Uniwersytet Jagielloński, Łukasz Wspaniały, „Rezonans magnetyczny w skali białek. Nowatorski projekt fizyków z UJ” – 22.10.2026 – opis projektu MRI-NOVA, wypowiedź prof. Szymona Pustelnego, budżet i skład konsorcjum.
Ilustracja wyróżniająca: ilustracja koncepcyjna Biomist – sieć krystaliczna diamentu z centrum azot-wakancja (atom azotu i puste miejsce) tuż pod powierzchnią oraz schematyczny łańcuch białka nad nią. Rysunek uproszczony, nie przedstawia rzeczywistego układu doświadczalnego.
