Austausch Konsole für 500 MHz-NMR-Spektrometer
Final Report Abstract
Diese Konsole ist der Ersatz für eine technisch veraltete Eigenbau-Konsole an einem 500 MHz Flüssigkeits-NMR-Spektrometer. Nach dem erfolgreichen Konsolentausch wurde das so aufgerüstete Spektrometer im Wesentlichen in mehreren Projektbereichen eingesetzt, nämlich (i) der Untersuchung der Empfindlichkeitssteigerung der Lösungs-NMR im biologischen und biomedizinischen Bereich durch Einsatz von Parawasserstoff, einem Hyperpolarisationsverfahren, bei dem es durch irreversible oder reversible Wechselwirkungen eines Substrats in Anwesenheit eines Hydrierkatalysators zu sehr großen Signalverstärkungen der Resonanzsignale kommt; (ii) der Gasphasen-NMR zur Untersuchung von Reaktionskinetiken bei Hydrierreaktionen auf den Oberflächen von Metall-Nanopartikeln; (iii) für Arbeiten der Nachwuchsgruppe D. Tietze, und (iv) als Analytik-NMR-Spektrometer des Arbeitskreises. Eines der aktuell größten Probleme in der biomedizinischen Anwendung von NMR und Magnetresonanztomographie (MRT) ist die verhältnismäßig geringe Empfindlichkeit der magnetischen Resonanz. Diese lässt sich prinzipiell durch Hyperpolarisationsverfahren wie die Parawasserstoff Induzierte Kernspinpolarisation (PHIP) um mehrere Größenordnungen steigern. Fokus der Arbeiten mit Parawasserstoff waren die Weiterentwicklung und Anwendung des PHIP- Verfahrens. Im Bereich der methodischen Weiterentwicklung gelang es uns einen neuen immobilisierten PHIP-Katalysator zu entwickeln und erfolgreich auf seine PHIP-Aktivität und Stabilität gegen Leaching zu testen, und einen komplett automatisierten experimentellen Aufbau für PHIP-Experimente zu entwickeln. Mit dem PANEL Experiment wurde ein neuartiges, hochsensitives Nachweisverfahren für transiente Intermediate unterhalb der NMR-Nachweisgrenze in Hydrierreaktionen entwickelt. Die reversible Wechselwirkung von gelöstem Parawasserstoff mit einem Katalysator führt zu charakteristischen Linienformänderungen der freien Wasserstofflinie. Durch OPSY-Detektion konnte gezeigt werden, dass diese Linienformänderungen das Ergebnis einer Zweispinordnung sind, die im Katalysator-Wasserstoffkomplex entsteht. Die experimentellen Daten konnten theoretisch modelliert werden. Das Modell zeigte, dass die Phasenlage der freien Wasserstofflinie durch das Vorzeichen der skalaren Kopplung im Intermediat bestimmt ist und das Vorzeichen deshalb aus der Linienform bestimmt werden kann. Wird während der Austauschreaktion ein schwaches magnetisches Wechselfeld eingestrahlt so wird, wenn dessen Frequenz in Resonanz mit der chemischen Verschiebung eines der beiden übertragenen Wasserstoffatome ist, das Signal drastisch reduziert. Durch cw-artige Variation der Frequenz lässt sich darüber das Intermediat mit einer rund drei Größenordnungen höheren Empfindlichkeit nachweisen, als mit herkömmlicher 1H-NMR und die chemische Verschiebung der beiden gebundenen Wasserstoffe bestimmen. In früheren Arbeiten war es uns bereits gelungen, PHIP-Aktive Oligopeptide über den Einbau nichtnatürlicher Aminosäuren mit ungesättigten Seitenketten (Propargyl-Glycine) erfolgreich mit PHIP zu hyperpolarisieren. Beim Versuch diese Technik auf einen biologisch aktiven Enzyminhibitor SFTI-1 (Sun Flower Trypsin Inhibitor) zu übertragen stellte sich heraus, dass bei diesen Systemen durch die Wechselwirkung benachbarter Seitenketten mit dem Hydrierkatalysator keine PHIP-Aktivität beobachtet wird. Aus diesem Grund wurden andere nichtnatürliche Aminosäuren auf ihre Eignung untersucht und schließlich gelang es uns durch dein Einbau von Propargyl-Tyrosine erstmalig einen voll funktionsfähigen, bioaktiven Enzym-Inhibitor mit PHIP-aktiven Seitenketten herzustellen und seine PHIP-Aktivität zu demonstrieren. Es wurden Verstärkungsfaktoren von bis zu ca. 70 erzielt, was einer Messzeitverkürzung um einen Faktor von knapp 5000 entspricht. Aufbauend darauf, wurden eine Reihe weiterer nichtnatürlicher Aminosäuren untersucht und auf ihre PHIP-Aktivität charakterisiert. Parallel zu diesen Arbeiten wurden von uns erste Arbeiten zur sogenannten SABRE-Technik durchgeführt, bei der ein reversibler Austausch des Parawasserstoffs zur Signalverstärkung eingesetzt wird. Um die für SABRE nötige Feldvariation zu erzielen, wurde der PHIP-Mechanismus um eine einfache Fieldcycling-Einheit ergänzt. Mit diesem Setup wurden mehrere neue Katalysatoren, auf ihre SABRE-Aktivität hin charakterisiert. Im Bereich der Nachwuchsgruppe D. Tietze wurden im Rahmen seines Habilitationsprojektes Arbeiten zur NMR Charakterisierung der Struktur des Kegelschneckentoxins δ-EVIA und zur Strukturbestimmung einer Reihe neu entwickelter G Proteininhibitoren durchgeführt.
Publications
- Effective PHIP labeling of bioactive peptides boosts the intensity of the NMR signal, Angewandte Chemie Intl. Ed. (2014), 53, 12941-12945
G. Sauer, D. Nasu, D.Tietze, T. Gutmann, S. Englert, O. Avrutina, H. Kolmar, G. Buntkowsky
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201404668) - Synthesis and solid-state NMR characterization of a novel, robust, pyridyl-based immobilized Wilkinson’s type catalyst with high catalytic performance, ChemCatChem (2016), 8, 3409-3416
M. Srour, S. Hadjiali, G. Sauer, K. Brunnengräber, H. Breitzke, Y. Xu, H. Weidler, H.-H. Limbach, T. Gutmann, G. Buntkowsky
(See online at https://doi.org/10.1002/cctc.201600882) - Parahydrogen allows Ultra-sensitive indirect NMR Detection of Catalytic Hydrogen Complexes, J. Phys. Chem. C, (2017) , 121, 9879-9888
A. S. Kiryutin, G. Sauer, A. V. Yurkovskaya, H.-H. Limbach, K. L. Ivanov, G. Buntkowsky
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b01056)
