Technologische Fortschritte verleihen Kernspinresonanz neue Dimension
Die Grundlage jeder denkbaren Substanz ist ihre molekulare Struktur. Um die Eigenschaften von Materie zu verstehen und zu verbessern, muss die Dynamik der Materie auf atomarer Ebene erkannt werden. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts HIRES-MULTIDYN(öffnet in neuem Fenster) wurden neue Instrumente, Verfahren und theoretische Grundlagen entwickelt, um die wissenschaftliche Forschung, die Wirkstoffentwicklung und materialwissenschaftliche Anwendungen über verschiedene Bereiche hinweg voranzubringen.
Einige praktische Grundlagen der Kernspinresonanz
Zur Untersuchung der Struktur und der Wechselwirkung von Molekülen dient ein leistungsstarkes Analyseverfahren, die Spektroskopie auf der Grundlage von Kernspinresonanz (NMR)(öffnet in neuem Fenster). Kernspinresonanz beruht auf dem Verhalten von Atomkernen, die einem starken Magnetfeld ausgesetzt sind. Diese zerstörungsfreie Technologie wird in der Chemie, Biologie, Medizin, Pharmakologie, im Ernährungs- und Energiesektor angewendet. Da Kernspinresonanz zur Untersuchung jedes beliebigen Materials dienen kann, sind ihre Anwendungsmöglichkeiten praktisch unbegrenzt. Die bekannteste Anwendung der Kernspinresonanz ist die Magnetresonanztomografie (MRT). MRT-Geräte, die weltweit in medizinischen Einrichtungen zu finden sind, liefern detaillierte Bilder von inneren Organen und Gewebe. In ihnen sind starke Magnete am Werk, etwa 30 000 Mal stärker als das Erdmagnetfeld, um Reaktionen von Atomkernen hervorzurufen, die dann in diagnostische Bilder umgesetzt werden.
Einführung der ultraschnellen hochauflösenden Relaxometrie
So leistungsfähig die Kernspinresonanz auch ist, liefert sie dennoch nur begrenzte Informationen über die multiskalige Dynamik komplexer Systeme. Relaxation ist der Prozess, durch den die vom Magnetfeld beeinflussten Kernspins wieder ins Gleichgewicht gelangen. Die Messung der Relaxationsraten ermöglicht indirekten Zugang zu molekularen Bewegungen. Da die Relaxation jedoch empfindlich auf Bewegungen reagiert, deren Zeitskala umgekehrt proportional zum Magnetfeld ist, erfordert der Zugang zu langsameren Bewegungen die Messung der Relaxation bei niedrigeren Magnetfeldern, was nicht mit empfindlicher hochauflösender Kernspinresonanz vereinbar ist. Um diese Herausforderung zu meistern, kam im Rahmen von HIRES-MULTIDYN ein Team führender Fachleute für Kernspinresonanzverfahren, Geräteentwicklung und theoretische Grundlagen der Molekulardynamik zusammen. Die projekteigene Lösung heißt ultraschnelle hochauflösende Relaxometrie (UHRR). Mit dieser bahnbrechenden Technologie kann die Dynamik komplexer Systeme in Zeiträumen von Piko- bis Mikrosekunden bestimmt werden. Die Lösung des Projekts erforderte außergewöhnliche Bedingungen innerhalb eines sehr kontrollierten Systems. Projektkoordinator Fabien Ferrage berichtet: „Zur Entwicklung unseres Prototyps mussten wir eine Probe sehr schnell, mit 100 km pro Stunde, in einer sehr kontrollierten Umgebung bewegen. Wir mussten außerdem eine Reihe anderer Magnete direkt über dem starken Magneten für die Hochfeld-Kernspinresonanz hinzufügen, einschließlich eines Magneten, der sein Feld in etwa einer Millisekunde um einen Faktor 10 000 verändern kann.“
Forschung und Anwendungen neue Wege eröffnen
Auf dem Weg zur Entwicklung der Instrumente, Methoden und des theoretischen Rahmens zur Unterstützung der HIRES-MULTIDYN-Lösung gab es viele Herausforderungen, aber die Bemühungen des Projektteams waren dank des Engagements aller Partner erfolgreich. Der UHRR-Prototyp wurde mithilfe einer Reihe von Machbarkeitsnachweis-Anwendungen an komplexen Systemen getestet, darunter Proteine, flüssige Lebensmittel(öffnet in neuem Fenster) und Körperflüssigkeiten. Die zukünftigen Anwendungen dieses technologischen Durchbruchs erscheinen weitreichend. „Wir haben diesen Prototyp eingesetzt, um Bewegungen in etlichen Systemen zu bestimmen: um Bewegungen zu quantifizieren, die für die Wirkstoffbindung in einer Proteinkinase wichtig sind, um herauszufinden, wie ein kleines Molekül an ein Wirkstoffmolekül bindet, um Bewegungen in flüssigen Lebensmitteln wie Olivenöl und in ionischen Flüssigkeiten zu verstehen, die in Batterien verwendet werden können“, erklärt Ferrage. Die Resultate sind vielversprechend. Mit neuen konzeptionellen Rahmenwerken, Verfahren und Instrumenten, die von weltweit führenden Fachleuten auf dem Gebiet der Magnetresonanzspektroskopie entwickelt wurden, steht die ultraschnelle hochauflösende Relaxometrie nun bereit, um ein neues Verständnisniveau in der Chemie, Biologie und den Materialwissenschaften zu erschaffen.
