Diamenty pomogą zajrzeć do wnętrza białek? Naukowcy z UJ zdobyli miliony euro na badania

Rezonans magnetyczny kojarzy się przede wszystkim z badaniem ludzkiego organizmu. Fizycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie chcą jednak wykorzystać podobną zasadę w zupełnie innej skali – tak małej, że możliwe byłoby obserwowanie pojedynczych cząsteczek. Pomóc mają w tym specjalnie przygotowane diamenty, zdolne do wykrywania niezwykle słabych pól magnetycznych. Projekt MRI-NOVA znalazł się w elitarnym gronie 43 przedsięwzięć wybranych do europejskiego finansowania, a jego budżet zaplanowano na około 4 mln euro.

Krakowscy fizycy chcą zobaczyć to, czego nie pokazuje zwykły rezonans

Białka są podstawą wielu procesów zachodzących w żywych organizmach. Nie przypominają jednak nieruchomych konstrukcji. Ich poszczególne fragmenty przemieszczają się, a całe cząsteczki zmieniają kształt podczas reakcji chemicznych i kontaktu z innymi molekułami.

To właśnie te zmiany mogą decydować o sposobie działania białka.

Problem polega na tym, że tradycyjne metody rezonansu magnetycznego rejestrują sygnały pochodzące od ogromnej liczby cząsteczek jednocześnie. Pozwalają uzyskać cenne informacje o badanej substancji, ale nie pokazują bezpośrednio zachowania pojedynczej molekuły.

Zespół kierowany przez prof. Szymona Pustelnego z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ chce przekroczyć tę granicę.

Celem projektu MRI-NOVA jest osiągnięcie rozdzielczości przestrzennej wynoszącej 10 nanometrów dla obiektów znajdujących się poza diamentem. Jeden nanometr to jedna miliardowa metra. Oznacza to możliwość prowadzenia pomiarów w skali porównywalnej z rozmiarami wielu białek.

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.

Jak wyjaśnia prof. Szymon Pustelny, dalszym celem badań jest opracowanie techniki umożliwiającej wykonywanie rezonansu magnetycznego pojedynczej molekuły.

Badacze zamierzają również mierzyć odległości pomiędzy wybranymi fragmentami cząsteczek. Wykorzystają do tego znaczniki magnetyczne. Tak uzyskane informacje mogą pomóc w odtwarzaniu trójwymiarowej budowy białek i obserwowaniu, jak zmienia się ona w czasie.

Najświeższe wiadomości z Krakowa czekają na stronie głównej faktykrakowa.pl, a koncerty, spotkania i imprezy na najbliższe dni – w kalendarzu wydarzeń.

Diament stanie się niezwykle czułym czujnikiem magnetycznym

Najbardziej zaskakującym elementem projektu jest wykorzystanie diamentu. Nie chodzi jednak o kamienie jubilerskie, lecz o odpowiednio przygotowaną strukturę krystaliczną.

Naukowcy zamierzają wykorzystać tzw. centra barwne azot–wakancja (NV). Powstają one wtedy, gdy w sieci krystalicznej diamentu jeden z atomów węgla zostaje zastąpiony azotem, a sąsiednie miejsce pozostaje puste.

Taki mikroskopijny defekt ma szczególne właściwości. Reaguje na zmiany lokalnego pola magnetycznego, dzięki czemu może pełnić funkcję wyjątkowo czułego sensora.

Fizycy planują umieścić wiele takich centrów tuż pod powierzchnią diamentu. Pozwoli to badać bardzo słabe pola magnetyczne wytwarzane przez cząsteczki znajdujące się bezpośrednio nad nim.

To istotne, ponieważ sygnał pochodzący od pojedynczych cząsteczek jest niezwykle słaby i szybko maleje wraz z odległością.

Samo wykrycie sygnału nie wystarczy jednak do stworzenia obrazu. Trzeba jeszcze ustalić, z którego dokładnie miejsca on pochodzi.

Dlatego zespół UJ opracował koncepcję wykorzystania kontrolowanych gradientów pola magnetycznego. Mówiąc prościej, badacze będą wytwarzać pole, którego wartość zmienia się w zależności od położenia. Dzięki temu możliwe ma być rozróżnianie sygnałów pochodzących z różnych miejsc i odtwarzanie obrazu w nanoskali.

Jeśli rozwiązanie zadziała zgodnie z założeniami, naukowcy zyskają nowy sposób badania procesów, których nie da się łatwo uchwycić przy pomiarach obejmujących jednocześnie ogromną liczbę cząsteczek.

Cztery lata badań i 4 mln euro. Projekt UJ wyróżniono spośród ponad dwóch tysięcy zgłoszeń

MRI-NOVA jest przedsięwzięciem międzynarodowym, koordynowanym przez Uniwersytet Jagielloński.

W konsorcjum uczestniczą cztery instytucje:

• Uniwersytet Jagielloński – koordynator projektu, zespół prof. Szymona Pustelnego, w którego pracach uczestniczy również dr Piotr Put;
• Uniwersytet w Ulm – zespół prof. Fedora Jelezki;
• Instytut Optyki Kwantowej Maxa Plancka – zespół prof. Ignacia Ciraca;
• Politechnika Federalna w Lozannie (EPFL) – zespół prof. Aleksandry Radenovic.

Planowany budżet całego przedsięwzięcia wynosi około 4 mln euro, z czego 1,4 mln euro ma przypaść Uniwersytetowi Jagiellońskiemu.

Prace mają potrwać cztery lata, a ich rozpoczęcie zaplanowano na 1 stycznia 2027 roku.

Projekt znalazł się wśród 43 propozycji wybranych do finansowania w konkursie EIC Pathfinder Open 2026. Konkurencja była duża – zgłoszono 2103 projekty, a w wybranych przedsięwzięciach uczestniczy łącznie 218 organizacji z 30 krajów.

Konkurs jest częścią programu Horyzont Europa i wspiera rozwój przełomowych technologii znajdujących się jeszcze na wczesnym etapie badań.

Warto przy tym zaznaczyć, że wybór projektu nie oznacza jeszcze wypłaty pieniędzy. Konsorcja przygotowują obecnie umowy grantowe, a finansowanie będzie możliwe po ich podpisaniu.

MRI-NOVA nie jest też projektem budowy gotowego aparatu medycznego. Jego celem jest opracowanie i eksperymentalne sprawdzenie nowych metod pomiarowych.

Dlaczego takie badania mogą być ważne również poza laboratoriami fizyków? Poznanie zmian kształtu pojedynczych białek może w przyszłości pomóc lepiej zrozumieć procesy związane z chorobami, w tym neurodegeneracyjnymi. Nowa technika mogłaby także znaleźć zastosowanie w badaniach chemicznych i podczas opracowywania leków.

To jednak potencjalne kierunki wykorzystania wyników, a nie zapowiedź szybkiego wdrożenia nowej diagnostyki.

Krakowscy naukowcy chcą najpierw udowodnić, że za pomocą diamentowych czujników można uzyskać informacje o pojedynczych molekułach z dokładnością, której nie zapewniają konwencjonalne metody rezonansu. Jeżeli im się to uda, otworzą drogę do obserwowania procesów zachodzących w białkach na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Źródło:

• informacja prasowa Uniwersytetu Jagiellońskiego z 22 października 2026 roku
• wyniki konkursu EIC Pathfinder Open 2026 opublikowane przez Europejską Radę ds. Innowacji.