E-mail | SIS | Moodle | Helpdesk | Knihovny | cuni.cz | CIS Více

česky | english Přihlášení



Vícerozměrná NMR spektroskopie pevné fáze pro studium struktury proteinů

Jan Blahut a Zdeněk Tošner (NMR laboratoř Chemické sekce PřF) spolu s kolegy z Technické univerzity v Mnichově publikovali článek v časopise Journal of the American Chemical Society, který se věnuje zvýšení citlivosti vícerozměrných spekter nukleární magnetické rezonance (NMR) používaných pro studium struktury nerozpustných proteinů.

 

ilustrace: Tomáš Belloň

Pomocí teorie optimálních procesů navrhli sofistikovanou metodu (pulsní sekvenci), která s minimálními ztrátami zprostředkovává přenos celkové magnetizace mezi rezonujícími jádry. To vede k systematickému zvýšení citlivosti o 41% za každou nepřímo kódovanou spektrální dimenzi. Jejich nová 3D spektra poskytují trojnásobnou citlivost, což je zásadní pro studium polymorfismu amyloidových struktur.

Nukleární magnetická rezonance (NMR) je významným nástrojem strukturní biologie, který umožňuje zkoumat proteiny s rozlišením jednotlivých atomů. Za rozvoj metod určování prostorové struktury proteinů v roztoku byla v roce 2002 udělena Nobelova cena. Pro významnou třídu nerozpustných proteinů jako jsou amyloidy, fibrily, ale i membránové proteiny, je však třeba použít metod NMR pevného stavu. Tato oblast výzkumu prožívá rychlý vývoj díky zdokonalování hardwaru a experimentálních technik.

Aby se odstranil vliv silných anizotropních interakcí a zvýšilo se tak rozlišení mezi signály jednotlivých jader, je vzorek vložen do rotoru, který svírá úhel 54.7° se statickým magnetickým polem a jímž se velmi rychle otáčí uvnitř měřící cívky (takzvaný magic-angle-spinning, MAS). Frekvence rotace může dnes dosahovat 160 kHz a takový rotor je jedním z nejrychleji se otáčejících makroskopických objektů vyrobených člověkem. Pomocí cívky (solenoidu) jsou aplikovány sofistikované radiofrekvenční pulsy, které umožňují manipulovat se spinovými stavy atomů, přenášet magnetizaci a korelovat tak informace o chemických posunech či vzdálenostech mezi atomy. Pro rozklíčování informací se využívají techniky vícerozměrné spektroskopie s několikanásobnými přenosy.

Zdeněk Tošner se dlouhodobě věnuje aplikaci teorie optimálních procesů pro vývoj NMR experimentů pevné fáze. Jedná se o efektivní metodu numerické optimalizace pracující s několika tisíci proměnnými. Spolu s německými kolegy nedávno vypracovali tvarované radiofrekvenční pulsy pro přenos magnetizace mezi dusíkovými a uhlíkovými jádry v páteři proteinu. Díky účinné kompenzaci prostorových nehomogenit radiofrekvenčního pole solenoidní cívky bylo dosaženo zvýšení citlivosti o cca 50%.

V současné publikaci se zamýšlejí nad schématem vícerozměrných experimentů, kdy je spektrální informace zakódována do amplitudy měřeného signálu. Kdyby bylo možné použít fázové kódování, vedlo by to automaticky k dalšímu navýšení výsledné citlivosti o 41% za každou takto nasnímanou spektrální dimenzi. Tento princip je znám z NMR v roztoku, avšak nenašel široké uplatnění kvůli relaxačním ztrátám. V případě NMR pevného stavu je problém v tom, že doposud neexistovaly experimentální techniky, které by umožnily přenést magnetizaci mezi hetero-jádry při současném zachování její fáze. A právě na to využili autoři dříve vyvinutou metodu numerické optimalizace. Výsledkem jsou nová trojrozměrná spektra, která poskytují trojnásobnou citlivost oproti standardním experimentům. Takové zvýšení citlivosti znamená devítinásobné zkrácení měřícího času a je zásadní pro studium polymorfismu amyloidových struktur – detekce minoritní formy lidského lambda-III immunoglobulin light chain proteinu, kterou se doposud nepodařilo zachytit.

Vedle této aplikace je práce Jan Blahuta, Zdeňka Tošnera a jeho kolegů z Technické univerzity v Mnichově též příslibem pro budoucnost. Studium proteinů v pevném stavu má oproti zavedeným technikám NMR v roztoku výhodu, že relaxační vlastnosti se neškálují s velikostí studovaného proteinu. Lze tak měřit i velké molekulové systémy. To zas vyžaduje zapojení vícedimenzionální spektroskopie s navrhovanými 4- až 5-rozměrnými experimenty, jejichž měření zabralo 33 dnů. Plné využití fázového kódování by přineslo 16-násobnou časovou úsporu – zkrácení na pouhé 2 dny.


Sensitivity-Enhanced Multidimensional Solid-State NMR Spectroscopy by Optimal-Control-Based Transverse Mixing Sequences, Jan Blahut, Matthias J. Brandl, Tejaswini Pradhan, Bernd Reif, and Zdeněk Tošner, Journal of the American Chemical Society Article ASAP, DOI: 10.1021/jacs.2c06568


 

 

Publikováno: Pátek 16.09.2022 14:40

Akce dokumentů