600 MHz NMR-Spektrometer mit Kryoprobenkopf
Final Report Abstract
Die Gruppe Schrader stellt maßgeschneiderte Moleküle her, die an Peptide und Proteine in definierter Weise andocken und ihre biologischen Eigenschaften gezielt verändern. Diese Moleküle erkennen z.B. einzelne Aminosäuren oder ganze Epitope auf der Proteinoberfläche. Dadurch erreichen wir neue Mechanismen der Enzymhemmung, Blockierung oder Förderung von Protein-Protein-Wechselwirkungen sowie die Hemmung der pathologischen Proteinaggregation. In den letzten 3 Jahren haben wir die meisten bei uns hergestellten Proteinbinder an dem neuen 600 MHz-NMR-Gerät mit modernen 1D und 2D-Verfahren charakterisiert und auch zahlreiche Bindungsexperimente an Peptiden und Proteinen mit Hilfe von NMR-Titrationen durchgeführt. Im Arbeitskreis Schmuck werden in ähnlicher Weise supramolekulare Liganden für Proteine und Nukleinsäuren entwickelt. Solche Verbindungen können entsprechend die Funktion von Protein modulieren (z.B. durch Inhibierung oder Verstärkung von Proein-Protein-Interaktionen) oder als künstliche Gentransfektionsvektoren die Einschleusung fremder genetischer Information in Zellen ermöglichen. In einem zweiten Projektbereich interessieren wir uns für selbst-assemblierende Zwitterionen, die als Bausteine für supramolekulare Polymere und Gele dienen. Hier stehen Fragen zur Erzeugung schaltbarer Aggregate im Vordergrund. Bei allen diesen Projekten steht am Anfang die organische Synthese der anvisierten Zielverbindungen. Gerade bei den biologisch-orientierten Projekten, wo wir viel mit mehrarmigen, multivalenten Peptidliganden arbeiten, stehen hoch-komplexe Verbindungen mit Molekulargewichten von bis zu 1000 Da (oder mehr) im Fokus. Die eindeutige strukturelle Charakterisierung auch geringer Substanzmengen (häufig nur wenige mg) ist die Herausforderung. Dafür werden state-of-theart NMR-Techniken benötigen und insbesondere der angeschaffte Cryo-Probenkopf erlaubt nun auch von solchen komplexen und nur in geringen Mengen vorliegenden Verbindungen umfassende NMR-Untersuchungen. Weiterhin nutzen wir die NMR-Spektroskopie, um z.B. Aussagen über Bindungsinteraktionen mit anderen Partnern zu erhalten. Hierzu dienen z.B. konzentrationsabhängige Studien bis hinunter in den submikromolaren Bereich oder Titrationsexperimente mit Nukleotiden oder Peptiden. Auch dafür findet die neue Geräteausstattung Anwendung. Mit Hilfe des 600 MHz NMR-Spektrometers konnte im Arbeitskreis Haberhauer gezeigt werden, dass peptidische Container-Moleküle sehr stabile Komplexe mit halogenierten Kohlenwasserstoffen ausbilden können, die im Wesentlichen durch Dispersionswechselwirkungen zusammengehalten werden. Die Assoziationskonstanten betragen hierbei über 105 M^-1. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass bei Cryptophanen die bisher mit NMR bestimmten Assoziationskonstanten nicht korrekt sind, da das verwendete Lösungsmittel um die Bindungstasche konkurriert. Dies war zuvor – trotz zahlreicher Untersuchungen verschiedenster Arbeitskreise mittels – nicht erkannt worden. Möglich war dies durch die sehr hohe Empfindlichkeit des 600 MHz NMR-Geräts. So konnte noch bei immens niedrigen Konzentrationen (kleiner 2×10^-5 M^-1) ein sinnvoll auswertbares Spektrum aufgenommen werden. Auch konnte in 90% reinem protischen Lösungsmittel (mit maximal 10%iger Zugabe der deuterierten Spezies) bei niedrigen Konzentrationen der untersuchten Komplexe 1D- und 2D-Spektren aufgenommen und erfolgreich ausgewertet werden. Das neue Gerät wurde in der Gruppe von Stephan Schulz hauptsächlich bei der Charakterisierung metallorganischer Verbindungen (1H, 13C NMR) sowie zur Reaktionskontrolle (zeitabhängig und temperaturabhängig) verwendet. Insbesondere im letztgenannten Punkt konnte es vielfach zur Identifizierung möglicher Reaktionsintermediate sowie Nebenprodukte beitragen, die zu einem vertieften Verständnis der Reaktionen führten. Gerade bei unseren Reduktionsstudien mit niedervalenten Verbindungen des Zinks, Galliums und Magnesiums, die im Unterschied zu klassischen Reduktionsmitteln in organischen Lösungsmitteln löslich und damit für NMR-spektroskopische in situ Experimente geeignet sind, hat es uns sehr wertvolle Erkenntnisse ermöglicht. Darüber hinaus wurde das Gerät zur Identifizierung von Nebenprodukten bei der Materialsynthese eingesetzt. So wurden beispielsweise Reaktionen von Metallamiden M(NR2)x und Metallalkoxiden (M(OR)x mit Elementen der 14. (Ge, Sn, Pb) und 15. Gruppe (Sb, Bi) mit silylsubstituierten Verbindungen der 16. Gruppe E(SiR3)2 (E = S, Se, Te), die zu der Herstellung der entsprechenden nanopartikulären Metallchalkogenide herangezogen werden, in situ untersucht und der Reaktionsverlauf eindeutig identifiziert. Insbesondere die Rolle des zugesetzten Oberflächenstabilisators Oleylamin wurde dabei deutlich, da diese Verbindung keineswegs nur als "unschuldiges" Capping Agent wirkt sondern aktiv sondern in die Reaktionsverlauf eingreift. In dem Forschungsprojekt "Lactidpolymerisation" werden die für die Charakterisierung des Polylactids erforderlichen NMR-Untersuchungen u.a. an dem Gerät durchgeführt, da es aufgrund seiner exzellenten Auflösung dafür sehr geeignet ist. Schließlich nutzt die Gruppe von Matthias Epple das 600 MHz-NMR-Gerät zur Messung von 1H- und 13C-NMR-Spektren von kleinen Molekülen an der Oberfläche von Gold-Nanoclustern (1-2 nm Durchmesser). Nur durch die Hochauflösung gelang es, die unterschiedlichen chemischen Verschiebungen der adsorbierten Spezies herauszuarbeiten.
Publications
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Synthesis and Structural Characterization of L1,2Mg-substituted Polystibides, [(L1,2Mg)4Sb8]. Angew. Chem. 2016, 128, 4276
C. Ganesamoorthy, C. Wölper, A. S. Nizovtsev, S. Schulz
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Use of an octapeptide - guanidiniocarbonylpyrrol conjugate for the formation of a supramolecular beta-helix which further self-assembles into pH responsive fibers, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13015
M. Li, M. Radic Stojkovoic, M. Ehlers, E. Zellermann, I. Piantanida, C. Schmuck
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“Characterizing the Effect of Multivalent Conjugates of Aβ-specific Ligands and Metal Nanoparticles on Neurotoxic Fibrillar Aggregation” ACS Nano 2016, 10, 7582
C. Streich, L. Akkari, C. Decker, J. Bormann, C. Rehbock, A. Müller-Schiffmann, F. C. Niemeyer, L. Nagel-Steger, D. Willbold, B. Sacca, C. Korth, T. Schrader, S. Barcikowski
