600 MHz NMR-Spektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das 600-MHz-NMR-Spektrometer wird im MagRes-Verbund der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg betrieben und ist Spezialanwendungen gewidmet, die (i) erhöhten Messzeitbedarf haben, (ii) spezielle Messbedingungen erfordern oder (iii) bei denen gegenüber den anderen NMR-Spektrometern des Verbundes höhere spektrale Auflösung zur Beantwortung der wissenschaftlichen Fragestellungen notwendig ist. Dem Arbeitskreis von Stefan Weber dient das Gerät der Untersuchung photoangeregter Proben, die ausgehend von Triplettzuständen Elektrontransferreaktionen durchlaufen, in deren Verlauf elektronenspinkorrelierte Radikalpaarzustände auftreten. Von besonderem Interesse ist hierbei der photo-CIDNP-Effekt (CIDNP, chemically induced dynamic nuclear polarization), bei dem, je nachdem ob Festkörper- oder Lösungsbedingungen vorliegen, über spezielle Mechanismen und bedingt durch die Kopplung der Elektronenspins an die Kernspins, eine Kernspinpolarisation, also eine nicht-thermische Besetzung der Kernspinniveaus, erzeugt wird. Dieser Effekt, als Folge eines Intraprotein-Elektrontransfers, wurde von der Arbeitsgruppe erstmals in einem nicht-photosynthetisierenden Protein, der Blaulichtrezeptorproteindomäne LOV2 (LOV, light oxygen voltage) des Phototropins nachgewiesen. LOV-Domänen binden ein Flavinmononukleotid (FMN) als Chromophor, das, für ein Photosystem durchaus ungewöhnlich, im Wildtyp über den Triplettzustand eine kovalente Bindung mit einem in der Proteinumgebung vorhandenen Cysteinrest (C450) bildet. In einer Proteinmutante, in der das Cystein z. B. gegen ein Alanin ersetzt wurde (LOV2 C450A), die aber dennoch wie der Wildtyp Photorezeptoraktivität aufweist, findet hingegen ein lichtinduzierter Elektrontransfer statt, bei dem ein Elektron von einem etwa 14 Å entfernt liegenden Tryptophan auf das FMN übertragen wird: Es entsteht ein Radikalpaar FMNH •...Trp•. Dabei tritt Kernspinpolarisation sowohl bei 13C-Kernen des Tryptophans (in natürlicher Häufigkeit detektiert) als auch bei denen im Flavin (nachgewiesen mit proteingebundenen 13C-FMN-Isotopologen) auf. Der photo-CIDNP-Effekt konnte kürzlich auch mit Flavin-Analoga beobachtet werden, sowohl in deren wässrigen Mischungen mit Tryptophan oder Tyrosin, als auch gebunden in der LOV2-C450A-Proteinumgebung. Jüngst gelang es gar, mittels photo-CIDNP den einelektronenreduzierten (paramagnetischen) Redoxzustand des 5-Deazaflavinmononukleotids (5-DeazaFMN) zweifelsfrei nachzuweisen. Dies ist insofern bemerkenswert, als dass das 5-Deazaflavin in Redoxreaktionen gemeinhin als Zweielektronenakzeptor (also Hydridakzeptor) und nicht als Einelektronenüberträger gehandelt wird. Begründet wurde dies mit der geringen Stabilität des 5-Deazaflavin-Radikals und seiner Tendenz, Addukte zu bilden oder unter Disproportionierung zu zerfallen. Nach quantitativer Auswertung der Intensitäten kernspinpolarisierter 1H-Resonanzen gelang nun ein direkter Nachweis des radikalischen Zustands des 5-DeazaFMNs. Die Arbeitsgruppe von Jan-Bernd Hövener (jetzt: Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Molecular Imaging North Competence Center) nutzt das Spektrometer zur Untersuchung der Para-nach-Ortho- Konversion von para-Wasserstoff. Ziel ist es, die Parameter dieser Konversion in wässrigen Medien zu verstehen und zu quantifizieren, um den Weg für in-vivo-Anwendungen der para-Wasserstoff-induzierten Kernspinpolarisation (PHIP), einem Verfahren zur Nutzung der Kernspin-Symmetrieordnung im molekularen Wasserstoff zur Signalverstärkung, in der Magnetresonanztomographie und der Magnetresonanzspektroskopie zu ebnen. Zu diesem Zweck wurden NMR-Experimente mit verdünnten Blutproben unternommen, die mit para-Wasserstoff gesättigt wurden, und das Auftreten der ortho-Wasserstoff- Resonanzen beobachtet. Dabei stellte sich heraus, dass die Konversion mit Zeitkonstanten > 20 min (extrapoliert auf reines Blut) ausreichend lang dauert, so dass PHIP-Experimente in vivo im Bereich des Möglichen erscheinen. Im Arbeitskreis von Henning Jessen wurde eine neue 31P-NMR-basierte Methode zur Unterscheidung von myo-Inositol-polyphosphat-Enantiomeren (InsPn) entwickelt, und zur Identifikation von myo-Inositol-penta-kisphosphat (InsP5) als Abbauprodukt von myo-Inositol-hexakisphosphat (InsP 6) eingesetzt. Damit konnte gezeigt werden, dass das Protein XopH aus Xanthomonas Phytaseaktivität aufweist. Genau kontrollierbare molekulare Photoschalter nehmen im Arbeitskreis von Andreas Walther eine zentrale Rolle ein. Dabei ergeben sich Fragestellungen, inwieweit die Kinetik molekularer Transformationen entweder in autonomen Systemen oder in licht- und temperaturgetriebenen Systemen durch die NMR-Spektroskopie verstanden und quantifiziert werden können. Ziel ist es, diese Photoschalter auf größeren Längenskalen erfolgreich für autonome und adaptive, molekular kontrollierte Systeme einsetzen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Strategy for enhancement of 13C-photo-CIDNP NMR spectra by exploiting fractional 13C-labeling of tryptophan. Journal of Physical Chemistry B 119 (2015) 13934–13943
W. Eisenreich, M. Joshi, B. Illarionov, S. Kacprzak, M. Lukaschek, G. Kothe, N. Budisa, M. Fischer, A. Bacher, S. Weber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcb-5b06668) - Molecular MRI in the earth’s magnetic field using continuous hyperpolarization of a biomolecule in water. Journal of Physical Chemistry B 120 (2016) 5670–5677
P. Rovedo, S. Knecht, T. Bäumlisberger, A.L. Cremer, S.B. Duckett, R.E. Mewis, G.G.R. Green, M. Burns, P.J. Rayner, D. Leibfritz, J.G. Korvink, J. Hennig, G. Pütz, D. von Elverfeldt, J.- B. Hövener
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcb-6b02830) - A 1-phytase type III effector interferes with plant hormone signaling. Nature Communications 8 (2017) Art.-No. 2159
D. Blüher, D. Laha, S. Thieme, A. Hofer, L. Eschen-Lippold, A. Masch, G. Balcke, I. Pavlovic, O. Nagel, A. Schonsky, R. Hinkelmann, J. Wörner, N. Parvin, R. Greiner, S. Weber, A. Tissier, M. Schutkowski, J. Lee, H. Jessen, G. Schaaf, U. Bonas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-017-02195-8) - Atmospheric photopolymerization of acrylamide enabled by aqueous glycerol mixtures: characterization and application for surface-based microfluidics. Macromolecular Materials and Engineering 302 (2017) Art.-No. 1600518
T. Gleichmann, A. Rostas, J. Wörner, E. Schleicher, L. Gutzweiler, B. Hamouda, R. Zengerle, P. Koltay, L. Riegger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mame.201600518) - The integrative metabolomictranscriptomic landscape of glioblastome multiforme. Oncotarget 8 (2017) 49178–49190
D.H. Heiland, J. Wörner, J.G. Haaker, D. Delev, N. Pompe, B. Mercas, P. Franco, A. Gäbelein, S. Heynckes, D. Pfeifer, S. Weber, I. Mader, O. Schnell
(Siehe online unter https://doi.org/10.18632/oncotarget.16544) - Microenvironmentalderived regulation of HIF-signaling drives transcriptional heterogeneity in glioblastoma multiforme. Molecular Cancer Research 16 (2018) 655–668
D.H. Heiland, A. Gaebelein, M. Börries, J. Wörner, N. Pompe, P. Franco, S. Heynckes, M. Bartholomae, D. Ohailin, M.S. Carro, M. Prinz, S. Weber, I. Mader, O. Schnell
(Siehe online unter https://doi.org/10.1158/1541-7786.MCR-17-0680) - Synergetic effects of Fe3+ doped spinel Li4Ti5O12 nanoparticles on reduced graphene oxide for high surface electrode hybrid supercapacitors. Nanoscale 10 (2018) Art.-No. 1877–1884
S. Repp, E. Harputlu, S. Gurgen, M. Castellano, N. Kremer, N. Pompe, J. Wörner, A. Hoffmann, R. Thomann, F.M. Emen, S. Weber, K. Ocakoglu, E. Erdem
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c7nr08190a)
