Geometrieinformation aus paramagnetischer NMR Relaxation

Das Hauptziel dieser Forschung ist die Einführung neuer und Verbesserung existierender wissenschaftlicher Werkzeuge und Strategien für die Untersuchung von molekularen Strukturen biologisch aktiver Stoffe, die so genannte Radikale (oder paramagnetische Zentren) enthalten. Zu diesem Zweck verwenden wir primär magnetische Kernresonanzspektrometer (NMR-Spektrometer). Paramagnetische Substanzen (oft auch "freie Radikale" genannt) spielen Schlüsselrollen in Lebensprozessen, die für den jeweiligen Organismus positive oder negative Auswirkungen haben können. Daher ist es wichtig, neue Technologien zu entwickeln und erproben, die besseren Einblick in die Struktur und Reaktionsweisen dieser Biomolekülfamilie geben. In diesem Forschungsprojekt wollen wir Methoden entwickeln und verfeinern, die es erlauben die Positionierung bestimmter Teile paramagnetischer Biomoleküle relativ zu der Lage des Radikal-Zentrums zu bestimmen. Wir werden Methoden verwenden, die auf der NMR-Technik basieren, welche einzigartige Möglichkeiten für Strukturuntersuchungen in Lösung bietet, allerdings im Falle paramagnetischer Moleküle stark gefordert ist. Durch Verfeinerung der Quantifizierung eines kürzlich von uns entdeckten Effektes (PIN, paramagnetically induced narrowing, paramagnetisch bewirkte Linienverschmälerung) und seine Kombination mit anderen modernen Strukturinformationsquellen aus NMR-Daten wollen wir das Arsenal der NMR-Werkzeuge und Strategien erweitern, das für das Studium paramagnetischer Biomoleküle und ihrer Wechselwirkungen zur Verfügung steht.

Im Zuge dieses Projektes entwickelten wir neue Methoden um die räumliche Anordnung von Atomen in einer speziellen Klasse von Eiweißstoffen, nämlich paramagnetischer Proteine, in Lösung mittels kernmagnetischer Resonanzspektroskopie (NMR) zu untersuchen. Paramagnetische Proteine sind an wichtigen Prozessen in lebenden Zellen beteiligt, wie Energietransfer bei der Atmung und Photosynthese. Für diesen Zweck wurde eine neuartige Technologie - eine so genannte kryogen gekühlte NMR Messsonde - zum ersten Mal in Österreich installiert und angewendet. Diese Sonde erlaubt die hochempfindliche Detektion der NMR Signale - ca. vier mal empfindlicher als die beste davor verfügbare Technologie. Dadurch wird in vielen Fällen eine Verkürzung der Messzeit auf 1/16 des früheren Wertes möglich. Oder man kann bei gleicher Messzeit Resultate mit einem Viertel der Probenmenge erzielen. Dies ist für die Anwendung auf verdünnte Lösungen der paramagnetischen Proteine essentiell. Mit der Kryo-NMR-Sonde konnten neue Messverfahren und Protokolle zur maßgeschneiderten Strukturbestimmung an paramagnetischen Proteinen entwickelt werden. Diese Technik wurde auch erfolgreich für die Bestimmung der molekularen Strukturen von Teilen bakterieller Zellwände eingesetzt. Dabei ermöglichte die hochempfindliche Kryosonde zum ersten Mal die Strukturbestimmung kleinster Mengen von polymeren Kohlenhydraten ohne Isotopenanreicherung. Abgesehen vom Primärziel der Molekülstrukturbestimmung wurden auch wichtige unerwartete Resultate durch die Kryo-NMR Technologie erzielt. Insbesondere wurde die Grundlage für eine völlig neue Bild gebende Technik entwickelt, die es erlaubt, nur durch Registrierung des Radiofrequenzrauschens beispielsweise die räumliche Verteilung von Wasser in einem Untersuchungsobjekt zu bestimmen, das einem schwachen magnetischen Feldgradienten ausgesetzt ist. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber früheren Techniken dar, die den Einsatz intensiver Impulse elektromagnetischer Strahlung erfordern, welche zu Sicherheitsbedenken geführt haben.