Entwicklung von strukturmassenspektrometrischen Methoden für natürliches organisches Material auf der molekularen Ebene

• Antragsteller: Dr. Oliver Lechtenfeld
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445025664

Das primäre Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Untersuchung einzelner Komponenten von natürlichem organischen Materials (NOM) auf struktureller Ebene. NOM spielt eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf, aber seine molekulare Komplexität erschwert eine umfassende Untersuchung seiner ökologischen Rolle und des Zusammenhangs zwischen molekularer Zusammensetzung, Herkunft und Reaktivität. Selbst modernste Methoden zur Untersuchungen von NOM mittels ultrahochauflösende Massenspektrometrie, z.B. FTICR MS, sind durch ihre Sichtweise auf Molekülformeln limitiert und oft basieren Schlussfolgerungen zur Reaktivität auf unspezifischen Elementverhältnissen. Zudem gibt es widersprüchliche Hinweise auf den Grad der strukturellen Vielfalt innerhalb von NOM und darauf, ob NOM aus verschiedenen Umgebungen immer zu den gleichen gemeinsamen strukturellen Motiven konvergiert.Diese grundlegende Diskussion steht im Mittelpunkt der biogeochemischen Forschung. Um ein tieferes Verständnis der Entstehung, Reaktivität und des Verbleibs von NOM in der Umwelt zu erhalten, muss die molekulare Analyse von NOM von einzelnen Molekülformeln zu chemischen Strukturen weiterentwickelt werden.Für diesen Schritt werden wir eine Kombination aus funktionellen Gruppen- und Kohlenstoffskelett-spezifischem Isotopen-Tagging, ultrahochauflösender Massenspektrometrie mit struktur-indikativer Fragmentierung und Anwendung chemoinformatischer Methoden verwenden, um NOM-Strukturbestandteile aufzulösen.Dazu wird die Anzahl von Carbonsäure-, Carbonyl- und Phenolgruppen in den einzelnen NOM-Komponenten durch Kombination von FTICR MS und Deuteromethylierung, Reduktion bzw. Acetylierung erfasst sowie eine zusätzliche Markierung am Kohlenstoffgerüsts auf der Grundlage von zweidimensionalen NMR-Analyse durch geführt werden. Gleichzeitig werden Fragmentierungsbäume der In-cell-Fragmentierung von einzelnen Ionen verwendet, um den Grad der strukturellen Ähnlichkeit zwischen NOM Proben zu erfassen. Die vorhandenen Auswertepipelines werden sowohl an Isotopentagging als auch an Tandem-FTICR-MS-Experimente angepasst. In Kombination mit Data-Mining in chemischen Datenbanken wird es zudem möglich, Strukturmotive in NOM zu bestimmen und zu bewerten.Wir werden weiterhin die Hypothese testen, dass Strukturen von NOM-Molekularkomponenten durch ihre Quellen und biogeochemischen Randbedingungen gesteuert werden. Infolgedessen unterscheiden sich die NOM-Molekülstrukturen und können verwendet werden, um die biogeochemische Entstehungsgeschichte zu rekonstruieren und ihre zukünftige Reaktivität vorherzusagen.Dieses Projekt wird die derzeitigen Einschränkungen in der NOM-Biogeochemie überwinden und den Weg für quantitative Struktur-Wirkungs-Beziehungen einzelner NOM-Molekularkomponenten ebnen. Die vorgeschlagenen entwickelten Workflows können damit zu einem neuen Standard in der biogeochemischen Forschung von NOM und zukünftigen Kohlenstoffzyklusstudien werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Alexander Zherebker, bis 3/2022
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Thorsten Reemtsma