Festkörper-NMR für hochauflösende Proteindynamik im Mikrosekundenbereich
Festkörper-NMR liefert Informationen in einer Genauigkeit, die andere Methoden wie Flüssigkeits-NMR nicht leisten können. Die Methode erkennt geringste magnetische Veränderungen bei Atomkernen, die durch Wechselwirkungen mit benachbarten Elektronen und Atomen entstehen. Meist sind diese Wechselwirkungen anisotrop, d.h. die Moleküle sind abhängig von der Ausrichtung zum Magnetfeld. Protonen sind die häufigsten Elemente in lebenden Organismen, was die 1H-detektierte NMR-Spektroskopie sehr viel attraktiver macht als die 15N- oder 13C-Methode. Die anisotropen Wechselwirkungen fördern jedoch ein starkes Netzwerk aus dipolaren Protonenkopplungen, die die Linienbreite jedes 1H-Signals deutlich erweitern können. In solchen Fällen hat sich gezeigt, dass sich MAS (Magic-Angle-Spinning) eignet, um das Problem zu lösen. Je nach Probe können dipolare 1H-Kopplungen bei einer Stärke von 100 kHz liegen. Hohe MAS-Werte verbessern die Auflösung von 1H-Signalen (10-20 Hz) und ermöglichen damit Polarisationstransfer und skalare Kopplung. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SOLID_NMR_DYNAMICS (Development of solid state NMR methods at 100 kHz magic angle spinning frequency for the study of internal protein dynamics and the application to membrane proteins) wurde mit Festkörper-NMR die Relaxation von 1H und 15N in einem Zeitraum zwischen wenigen Nanosekunden bis hin zu 50 μs ermittelt. Mit Lösungs-NMR kann die Relaxationsdispersion in einem solchen Zeitfenster nicht ermittelt werden. Die Messungen sind vor allem für die Dynamik des Protein-Backbones relevant. Das Team führte eine Messreihe zu verschiedenen 15N- und 1H-Relaxationskonstanten in 2H-, 15N-, 13C-markiertem mikrokristallinem Ubiquitin durch, in dem nur die Backbone-Amidgruppe vollständig protoniert war. Kohärente Effekte, die etwa bei 1H-1H-dipolaren Kopplungen und Temperatureffekten beobachtet werden, wurden ausgeschlossen. Wie die Forschergruppe berichtet, geht die beobachtete Abhängigkeit der Relaxationskonstante von 15N R1ρ bei unterschiedlichen MAS-Frequenzen auf die Proteindynamik zurück. Laut Analyseergebnissen fanden die dynamischen Prozesse am Protein-Backbone in einem engen Zeitfenster von etwa 1 μs statt. Die Amplitudendynamik war niedriger im Vergleich zu dem, was zuvor mit Festkörper-NMR ermittelt wurde. Das Projekt forschte zum Vorhandensein und der Amplitude der Protein-Backbone-Dynamik im Nm-Mikrosekundenbereich und zeigte experimentell die hochaufgelöste Dynamik, die innerhalb von Mikrosekunden in mikrokristallinem Ubiquitin stattfindet.
Schlüsselbegriffe
Festkörper-NMR, Proteindynamik, Mikrosekunde, Magic-Angle-Spinning, SOLID_NMR_DYNAMICS
