Q-Band-Fourier-Transform-EPR-Gerät
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das X-/Q-Band-Fourier-Transform-EPR-Spektrometer wird im MagRes-Verbund der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg betrieben und ermöglicht es dem Arbeitskreis von Stefan Weber, kurzlebige paramagnetische Intermediate auf einer Zeitskala von Nanosekunden bis Mikrosekunden zu charakterisieren. Im Fokus stehen dabei Triplettzustände (S = 1) und spinkorrelierte gekoppelte Radikalpaare, die durch einen kurzen Laserlichtimpuls erzeugt werden, und deren EPR-Signale als Funktion der Zeit durch ein continuous-wave-EPR-Verfahren, die transiente EPR, oder mit gepulsten EPR-Techniken aufgezeichnet werden. Einen Schwerpunkt bilden Blaulichtrezeptoren, die Flavin-Kofaktoren als Chromophore tragen und deren Photochemie und -physik sehr vielfältig ist. So treten Flavin-Triplettzustände auf, aber auch durch Elektrontransfer erzeugte Radikalpaarspezies, die sowohl ausgehend von Triplettzuständen als auch von angeregten Singulettzuständen des Flavinkofaktors entstehen können. In Radikalpaaren trägt insbesondere die dipolare Wechselwirkung zwischen den magnetischen Dipolmomenten der separierten Elektronenspins wichtige Information über deren Abstand und erlaubt somit die Identifikation von kurzlebigen Radikalpaarspezies. So gelang es kürzlich unter Anwendung des OOP-ESEEM-Verfahrens, einen neuen Radikalpaarzustand im Cryptochrom-Magnetorezeptor von Fruchtfliegen zu identifizieren und die dipolare Wechselwirkung und die Austauschkopplung zu quantifizieren. Beide sind für das Verständnis der Photomagnetorezeption von grundlegender Bedeutung. Die dipolare Kopplung von Triplettzuständen ermöglicht es, über eine Bestimmung der Nullfeldparameter D und E der im Nullfeld energetisch aufgespaltenen Spinzustände, die Symmetrie der Spindichteverteilung zu ermitteln. Derlei Untersuchungen sind für eine Aufklärung der Primärprozesse in Blaulichtrezeptoren unabdingbar. Die Möglichkeit, diese Experimente mit dem neuen Spektrometer in zwei Frequenzbereichen (im X- und im Q-Band) durchführen zu können, ermöglicht (1) eine Identifizierung von Ausgangszuständen der Radikalpaarerzeugung (Singulett- versus Triplett-Vorläufer), (2) die spektrale Auflösung durch die Wahl des höheren Frequenzbereichs zu verbessern, (3) die Stärke magnetfeldabhängiger Wechselwirkungen zu beeinflussen und somit die spektrale Analyse zu erleichtern, und (4) im Q-Band eine im Vergleich zum X- Band effizientere Probenanregung hochkonzentrierter Proben. Da in den meisten Blaulichtrezeptoren auch Flavinradikale stabilisiert werden können, diente und dient das Spektrometer durch die Anwendung von Hyperfeintechniken (ENDOR, ESEEM, HYSCORE) auch der Abtastung der ungepaarten Elektronenspindichte auf dem 7,8-Dimethylisoalloxazinring. Im Phytochrom-Rotlichtrezeptor Agp1 von Agrobacterium tumefaciens konnte durch DEER/PELDOR- Untersuchungen an spinmarkierten Proteinen die Anordnung des Homodimers ermittelt werden. Die Arbeitsgruppe von Erik Schleicher beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Intermediaten in enzymatischen Reaktionen und der Aufklärung von Reaktionsmechanismen in kofaktorabhängigen Proteinen. Der Fokus liegt einerseits auf lichtabhängigen Enzymen bzw. Photorezeptoren, und andererseits auf paramagnetischen Übergangsmetallzentren in Biomolekülen. Methodisch werden hauptsächlich stationäre und zeitaufgelöste Methoden der optischen und der EPR-Spektroskopie verwendet. Die Benutzung des geförderten X-/Q-Band-EPR-Spektrometers war und ist für die Durchführung der Forschungsprojekte der Arbeitsgruppe unerlässlich. Zum einen sind gepulste Methoden für die Charakterisierung von metastabilen Übergangszuständen essentiell, insbesondere sind höhere Mikrowellenfrequenzen entscheidend, wenn es sich um organische Radikale handelt. Zum anderen bietet das Spektrometer auch die notwendige Versatilität, um (i) Übergangsmetalle bei sehr tiefen Temperaturen zu charakterisieren, (ii) lichtabhängige Reaktion zeitaufgelöst zu verfolgen, und (iii) erhöhte Aussagekraft insbesondere bei Übergangsmetallzentren durch Messungen bei zwei Mikrowellenfrequenzen zu erreichen. Über den MagRes-Verbund der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg sind zahlreiche wissenschaftliche Kooperationen durch gemeinsame Veröffentlichungen dokumentiert. Mit der Arbeitsgruppe von Emre Erdem (jetzt: Sabanci University Istanbul) wurden „nicht-stöchiometrische“ Quantenpunkte sowie MnO- dotierte (K,Na)NbO3-Keramikmaterialien untersucht. Der Arbeitskreis von Susana Andrade befasst sich mit Protein-Konformationsänderungen im Ammoniumtransporter Amt1, die anhand von Nitroxid-spinmarkierten Proteinvarianten mittels DEER/PELDOR abgetastet werden. Mit dem Arbeitskreis von Ingo Krossing besteht eine rege Zusammenarbeit bezüglich der Charakterisierung von Nickel-Komplexen mit diversen Liganden. Gemeinsam mit Robin Teufel werden ungewöhnliche Flavin-Radikale, wie z. B. das Flavin-N5- oxid untersucht. Mit den Arbeitsgruppen von Manfred Jung und Wolfgang Hüttel werden Regio- und Stereoselektivitäten verschiedener Eisen/α-ketoglutarat-abhängiger Oxygenasen mit der cw-EPR charakterisiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- The toolbox of Auricularia auricula-judae dye-decolorizing peroxidase. Identification of three new potential substrate-interaction sites. Archives of Biochemistry and Biophysics 574 (2015) 75–85
E. Strittmatter, K. Serrer, C. Liers, R. Ullrich, M. Hofrichter, K. Piontek, E. Schleicher, D.A. Plattner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.abb.2014.12.016) - Defect evolution of nonstoichiometric ZnO quantum dots. Journal of Physical Chemistry C 120 (2016) 25124–25130
S. Repp, S. Weber, E. Erdem
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b09108) - Micro and nano patternable magnetic carbon. Journal of Applied Physics 120 (2016) Art. No. 235107
S. Sharma, A.M. Rostas, L. Bordonali, N. MacKinnon, S. Weber, J.G. Korvink
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4972476) - Determination of radical–radical distances in light-active proteins and their implication for biological magnetoreception. Angewandte Chemie International Edition 56 (2017) 8550–8554
D. Nohr, B. Paulus, R. Rodriguez, A. Okafuji, R. Bittl, E. Schleicher, S. Weber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201700389) - Intersubunit distances in full-length, dimeric, bacterial phytochrome Agp1, as measured by pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) between different spin label positions, remain unchanged upon photoconversion. Journal of Biological Chemistry 292 (2017) 7598–7606
S. Kacprzak, I. Njimona, A. Renz, J. Feng, E. Reijerse, W. Lubitz, N. Krauss, P. Scheerer, S. Nagano, T. Lamparter, S. Weber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1074/jbc.M116.761882) - Enhanced n-doping efficiency of a naphthalenediimide-based copolymer through polar side chains for organic thermoelectrics. ACS Energy Letters 3 (2018) 278–285
D. Kiefer, A. Giovannitti, H. Sun, T. Biskup, A. Hofmann, M. Koopmans, C. Cendra, S. Weber, L.J.A. Koster, E. Olsson, J. Rivnay, S. Fabiano, I. McCulloch, C. Müller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsenergylett.7b01146) - Global analysis of complex PELDOR time traces. Journal of Magnetic Resonance 295 (2018) 17–26
S. Rein, P. Lewe, S.L. Andrade, S. Kacprzak, S. Weber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmr.2018.07.015) - Long-lived hydrated FMN radicals: EPR characterization and implications for catalytic variability in flavoproteins. Journal of the American Chemical Society 140 (2018) 16521–16527
A. Rostas, C. Einholz, B. Illarionov, L. Heidinger, T. Al Said, A. Bauss, M. Fischer, A. Bacher, S. Weber, E. Schleicher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jacs.8b07544) - Synthesis, characterisation and reactions of truly cationic NiI–phosphine complexes. Chemistry – A European Journal 24 (2018) 918–927
M.M. Schwab, D. Himmel, S. Kacprzak, V. Radtke, D. Kratzert, P. Weis, M. Wernet, A. Peter, Z. Yassine, D. Schmitz, E.W. Scheidt, W. Scherer, S. Weber, W. Feuerstein, F. Breher, A. Higelin, I. Krossing
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201704436) - Isolation of a stable pyridine radical anion. Chemical Communications 55 (2019) 1322–1325
J. Schröder, D. Himmel, D. Kratzert, V. Radtke, S. Richert, S. Weber, T. Böttcher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c8cc09700c)
