Untersuchung der ortsspezifischen dynamischen Kernpolarisation an Biomolekülen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Björn Corzilius
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232503709

Im Laufe des Emmy Noether-Projekts ist es gelungen, die unter Magic-Angle Spinning relevanten Mechanismen der dynamischen Kernpolarisation (Solid Effect sowie Cross Effect), besonders im Hinblick auf paramagnetische Metallionen als Polarisationsmittel, entscheidend aufzuklären. Dabei wurden auch neue maßgeschneiderte zweikernige Metallkomplexe auf Basis von Gd(III) speziell für den Cross Effect entwickelt. Weiterhin ist es gelungen, Ubiquitin als Modell-Protein mittels ortspezifischer Spinmarkierung mit verschiedenen Gd(III)-bindenden Chelat-Komplexbildnern zu markieren. Dies hat es erlaubt, erstmalig die direkte Polarisation von 13C in einem Protein mittels eines direkt gebundenen Metallions zu beobachten. Weitere Untersuchungen an Spin-markierten Mutanten sowie deuterierten Proteinen identifizierte die durch Methylgruppen induzierte dipolare Relaxation zwischen 13C und 1H als Haupthinderungsgrund für den Aufbau großer Verstärkungsfaktoren. Experimente im Frühstadium an direkter 15N-Polarisation sind äußerst vielversprechend und zeigen Verstärkungsfaktoren von >100 sowie erste Hinweise auf selektive Verstärkung von Seitenkettensignalen, die innerhalb eines gewissen Abstandes vom Elektronenspin liegen.Innerhalb der Fortsetzungsperiode werden drei bisher unbeantwortete Hauptaspekte des Gesamtprojekts aufgegriffen und möglichst abschließend die ursprünglichen Fragestellungen beantwortet (Welche Mechanismen müssen bei DNP durch Metallionen im Hochfeld beachtet werden? Wie ist die Abstandsabhängigkeit des direkten DNP-Transferprozesses? Ist es möglich, Strukturinformation direkt aus DNP-Parametern zu erhalten?). Zum einen werden bis-Mn(II)-Komplexe untersucht und dabei das Wechselspiel zwischen Kern-Larmorfrequenz, Nullfeldaufspaltung, und Hyperfeinwechselwirkung zum Metallkern betrachtet. Diese Informationen sind essentiell für die Verwendung von biologisch relevantem Mn(II) als DNP-Polarisationsmittel, z.B. für in-cell Spektroskopie. Der zweite Aspekt liegt in der Untersuchung der direkten 15N-Polarisation in Gd(III)-markiertem Ubiquitin. Durch das sehr kleine gyromagnetische Verhältnis von 15N sowie die geringere gegenseitige Konnektivität von Stickstoffatomen im Vergleich zu Kohlenstoff in Proteinen wird homonukleare Spin-Diffusion viel stärker unterdrückt, was zur Konservierung der DNP-Ortsspezifizität führen soll. Zuletzt werden DNA-Doppelhelix-Modelsysteme verwendet, bei denen ein Strang mit einem Elektronenspin und der komplementäre Strang mit einem 13C,15N-Isotopenmarker modifiziert ist, zur Aufklärung der Abstandsabhängigkeit von DNP und paramagnetischer Kernspinrelaxation unter DNP-Bedingungen. Diese Information ist von außerordentlich hohem Wert in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, da zurzeit keinerlei quantitativer, experimenteller Hinweis zu diesem Problem existiert und die theoretische Beschreibung aufgrund des komplexen Sachverhalts (z.B. durch paramagnetische Relaxation) bei DNP-relevanten Bedingungen unmöglich ist.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen