600 MHz-NMR-Konsole mit Kryo-Probenkopf

• Subject Area: Analytical Chemistry
• Term: Funded in 2008
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 52834861

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Die AG Sattler konnte mit den beiden 600 MHz Spektrometern die Struktur, Dynamik und molekularen Wechselwirkungen von Spleissregulatoren und peroxisomalen Proteinkomplexen aufklären. Insbesondere konnten mit der verbesserten Empfindlichkeit der 600 MHz AVIII- Konsole mit Kryokopf exzellente NMR-Daten aufgenommen werden, die wesentlich zu zahlreichen Publikationen beigetragen haben. Es konnten unter anderem die Strukturen von zwei Protein-Peptidkomplexen aufgeklärt werden, die in der Biogenese der Peroxisomen eine wichtige Rolle einnehmen. Des weiteren konnten wir ein konformationelles Gleichgewicht zwischen einer offenen und einer geschlossenen Konformation des essentiellen Spleissfaktors U2AF65 beschreiben. Hierfür waren zahlreiche NMR-detektierte Titrationen mit RNA-Liganden, 15N-Relaxationmessungen und PRE-Messungen erforderlich. Auch für die Untersuchung des Komplexes des U2AF-Heterodimers mit dem Spleissfaktor hnRNP A1 erlaubte das hervorragende Signal-zu-Rauschen des neuen Kryoprobenkopfes entsprechende NMR-Daten bei 600 MHz aufzunehmen. Die AGs Kessler und Buchner haben die Struktur und Wechselwirkungen von Hsp90 und anderen Chaperonen untersucht. Ebenfalls mit der Gruppe von J. Buchner wurde die Faltung und Assemblierung von Antikörpern untersucht. Kristallisierbare Proteine werden bevorzugt durch Röntgenstrukturanalyse untersucht; allerdings ist NMR immer dann von Vorteil, wenn die Proteine nicht kristallisieren oder wenn man den Einfluss der Umgebung untersuchen will. Ein Beispiel ist die Aufklärung der Struktur und Funktion der C- und der N-terminalen Domänen der Spinnenseide. Es konnte geklärt werden, wie die Spinne ein Protein in hoher Konzentration speichern kann, ohne dass es zu Aggregationen kommt, und wie dann in Sekundenbruchteilen ein Faden gesponnen werden kann, der stabiler als ein Stahldraht gleichen Gewichtes und aller synthetischen Fasern ist. In einer weiteren Studie konnte gezeigt werden, dass man mit minimaler Markierung bei extrem hohen Temperaturen die Struktur von großen Proteinen lösen kann. Die AG Glaser hat im wesentlichen die 600 MHz NMR-Konsole ohne Kryo-Probenkopf für die Entwicklung und Demonstration von Experimenten zur optimalen Steuerung von Spinsystemen, für Mikro-Imaging, Diffusionsmessungen und für Experimente aus dem Bereich der Quanteninformationsverarbeitung genutzt. Durch die Möglichkeit der neuen Konsole, komplexe Multipuls-Sequenzen mit schnellen Schaltzeiten im sub-Mikrosekunden-Bereich von Pulsphasen und Pulsamplituden zu realisieren, konnten in Verbindung mit der an diesem Gerät installierten Microimaging-Einheit und einem von der Firma Bruker entwickelten weltweit einzigartigen 6-Kanal-Probenkopf eine Vielzahl bisher nicht realisierbarer Experimente durchgeführt werden. Hervorzuheben sind zeitoptimale und relaxations-optimierte Experimente für die Manipulation ungekoppelter Spins für Anwendungen in der Spektroskopie und der Bildgebung und gekoppelter Spins. Die Arbeitsgruppe von Bernd Reif ist seit 2010 an der TUM und befasst sich mit der NMR-spektroskopischen Charakterisierung der Fehlfaltung von amyloidogenen Peptiden und Proteinen sowie der Strukturaufklärung an Membranproteinen. Wir verwenden Lösungs-NMR, um erstere zu verfolgen. Dazu konnte mit dem 600 MHz Spektrometer ein wesentlicher Beitrag geleistet werden. Die AG Luy hat bis Mitte 2010 mehrere Strukturen schwierig zu ermittelnder Naturstoffe und Syntheseprodukte mit Hilfe der angegebenen Spektrometer aufgeklärt. Insbesondere der Kryoprobenkopf hat hier zu Experimenten mit deutlich gesteigerten S/N geführt, was die Auswertung der entsprechenden Spektren stark vereinfacht und die Genauigkeit der Strukturmodelle deutlich erhöht hat. Zudem wurden mehrere neue Breitbandpulse und Pulssequenzen mit Hilfe von Optimal Control an den Spektrometern implementiert und dort getestet. Dies wäre ohne die modernen Avance III Konsolen mit SGU-2 Pulsshape-Einheiten nicht möglich gewesen. Die AG Dames (seit 2010) hat die Struktur und Dynamik von Domänen des mTor Proteins und seiner molekularen Wechselwirkungen untersucht.

Publications

• "Artefact-Free Measurement of Residual Dipolar Couplings in DMSO by the Use of Cross-Linked Perdeuterated Poly(acrylonitrile) as Alignment Medium". (2010) Chem. Commun. 46, 8273-8275
  G. Kummerlöwe, M. Behl, A. Lendlein, B. Luy
  
• A highly conserved spider silk domain acts as a molecular switch that controls fibre assembly. (2010) Nature 465, 239-242
  F. Hagn, L. Eisoldt, J. Hardy, C. Vendrely, M. Coles, T. Scheibel, H. Kessler
  
• Amyloid beta 42 peptide (Aß42)-lowering compounds directly bind to A beta and interfere with amyloid precursor protein (APP) transmembrane dimerization. (2010) Proc. Natl Acad. Sci. USA. 107, 14597–14602
  Richter, L., Munter, L.-M., Ness, J., Hildebrand, P. W., Dasari, M., Unterreitmeier, S., Bulic, B., Beyermann, M., Gust, R., Reif, B., Weggen, S., Langosch, D. & Multhaup, G.
  
• Structural basis for the association of the redox-sensitive TOR FATC domain with membrane-mimetic DPC micelles. (2010) J. Biol. Chem. 285(10): 7766-75
  S.A. Dames
  
• "Residual Dipolar Couplings as a Powerful Tool for Constitutional Analysis: The Unexpected Formation of Tricyclic Compounds“. (2011) Angew. Chem. Int. Ed. 50, 2643-2645
  G. Kummerlöwe, B. Crone, M. Kretschmer, S. F. Kirsch, B. Luy
  
• Multi-domain conformational selection underlies pre-mRNA splicing regulation by U2AF. (2011) Nature 475, 408-11
  Mackereth CD, Madl T, Bonnal S, Simon B, Zanier K, Gasch A, Rybin V, Valcarcel J, and Sattler M
  
• Structural analysis of the interaction of the heat shock protein 90 with the tumor suppressor protein p53. (2011) Nat Struct Mol Biol, 10, 1086-2114
  F. Hagn, S. Lagleder, M. Retzlaff , J. Rohrberg, O. Demmer, K. Richter, J. Buchner, H. Kessler
  
• The Mediator Med25 activator interaction domain: Structure and cooperative binding of VP16 subdomains. (2011) Nat Struct Mol Biol 18, 404-9
  Vojnić E, Mourão A, Seizl M, Simon B, Wenzeck L, Larivière L, Baumli S, Baumgart K, Meisterernst M, Sattler M, and Cramer P
  
• Time-Optimal Control of Spin 1/2 Particles in the Presence of Radiation Damping and Relaxation. (2011) J Chem Phys 134, 054103
  Zhang Y, Lapert M, Sugny D, Braun M, Glaser SJ,
  
• An orcein-related small molecule promotes the conversion of toxic oligomers to non-toxic, β-sheet-rich amyloid fibrils. (2012) Nature Chem. Biol. 8, 93-101
  Bieschke, J., Herbst, M., Wiglenda, T., Friedrich, R., Boeddrich, A., Schiele, F., Kleckers, D., Lopez del Amo, J.-M., Gruening B., Wang, Q., Schmidt, M., Lurz, R., Anwyl, R., Schnoegl, S., Fändrich, M., Frank, R., Reif, B., Guenther, S., Walsh, D. & Wanker, E. E.
  
• New Strategies for Designing Robust Universal Rotation Pulses: Application to Broadband Refocusing at Low Power. (2012) J Magn Reson 116, 78-87
  Skinner TE, Gershenzon NI, Nimbalkar M, Bermel W, Luy B, Glaser SJ
  
• The FKBP-rapamycin binding domain of human TOR undergoes strong conformational changes in the presence of membranemimetics with and without the regulator phosphatidic acid. (2012) Biochemistry 51 (24), 4909-4921
  D. C. Rodriguez Camargo, N. M. Link, S. A. Dames