Nanoliter-Scale NMR of Biomolecule Solutions using Dynamic Nuclear Polarization

Descripción del proyecto

Resonancia magnética nuclear dinámica potenciada por la polarización nuclear de soluciones de biomoléculas a escala de nanolitro

La polarización nuclear dinámica (PDN o DNP, por sus siglas en inglés) es una técnica que aumenta la sensibilidad de las señales de resonancia magnética nuclear (RMN). Aunque es compatible con muestras en estado sólido y líquido, la PDN directa en soluciones no se ha demostrado para biomoléculas. En el proyecto LiquidStateDNP, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, se pretende lograr esto y favorecer la espectroscopia de PDN de biomacromoléculas en volúmenes de solución tan pequeños como unos cientos de nanolitros, algo que hoy día es imposible con las técnicas tradicionales de RMN. El equipo de LiquidStateDNP se propone lograr el uso del «mecanismo de efecto sólido» a temperatura ambiente y con campos magnéticos intensos. Este mecanismo se ha empleado con sólidos durante más de cincuenta años, pero muy pocas veces con líquidos. Si esto tiene éxito, se posibilitarán aplicaciones biológicas que hasta ahora eran inalcanzables a escala de nanolitros y en condiciones fisiológicas.

Objetivo

Dynamic nuclear polarization (DNP) is an exciting and rapidly developing field in magnetic resonance, with solid-state and dissolution DNP techniques emerging as powerful tools across various applications, ranging from materials science to medicine. However, direct DNP in solutions still suffers from a lack of general applicability to macromolecules. The LiquidStateDNP project aims to establish DNP spectroscopy in the liquid state as an innovative tool for chemistry and biology, enabling the analysis of biomacromolecules with small sample volumes as low as a few hundred nanoliters – an achievement beyond the capabilities of traditional NMR techniques. This research will focus on using the solid-effect mechanism at high magnetic fields and room temperature, which offers significant potential for investigating a wide range of molecules. Notably, the solid-effect mechanism exhibits a favorable dependence on the molecular weight of the analyte, becoming increasingly effective for larger macromolecules. To achieve the project’s goals, I will pursue the following objectives: (i) develop a DNP probehead with improved signal sensitivity and resolution; (ii) establish methodologies for various nuclei, including ¹H, ¹³C, ¹⁹F, and ³¹P; (iii) optimize the structure of polarizing agents to maximize their effectiveness in solid-effect DNP; and (iv) demonstrate the application of liquid-state DNP to biomolecules for the first time. This will involve monitoring ligand binding to nucleic acids or proteins, investigating the dynamics of native membranes, and conducting in-cell NMR studies on living cells to detect drug binding and penetration. The LiquidStateDNP project aims to develop an innovative tool for liquid-state NMR, unlocking fundamentally new opportunities for a variety of biological applications at the nanoliter scale under physiological conditions.