Hyperpolarisation von Wasser durch UV Radikale zur Untersuchung von Wasserdynamik in Proteinen

• Antragsteller: Dr. Fabian Hecker
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530727077

Ziel dieses Forschungsantrags ist die Entwicklung und Etablierung einer experimentellen Methodik zur Untersuchung der Wasserdynamik in der Umgebung von Proteinen mit hyperpolarisiertem Wasser (HyperW), das durch dissolution DNP (dDNP - dynamische Kernspinpolarisation) mit nicht-persistenten Radikalen erzeugt wird. Wassermoleküle können die Struktur und Funktion biologischer Makromoleküle beeinflussen - daher sind experimentelle Methoden zu ihrer Untersuchung von großem Interesse. Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), wobei die unterschiedlichen Besetzungen von Kernspinzuständen, d.h. deren Polarisation, detektiert wird, ist eine häufig angewandte Techniken zur Untersuchung von Biomolekülen in ihrer physiologischen Umgebung. Hyperpolarisationstechniken, wie dissolution DNP, verstärken schwache NMR-Signale, indem sie hohe Elektronenspinpolarisation auf die untersuchten Kernspins übertragen. Hyperpolarisiertes Wasser mittels dDNP, wurde als universeller Empfindlichkeitsverstärker für NMR-Experimente etabliert, da die hyperpolarisierten Wasserprotonen durch chemischen Austausch auf Biomoleküle übertragen werden können. dDNP ist eine ex-situ Methode, die den Transport der hyperpolarisierten Probe vom Polarisationsmagneten zum Detektionsspektrometer erfordert. Der Transport ist der kritischste Schritt, da die für die Hyperpolarisierung notwendigen organischen Radikale auch die Hauptquelle des Signalverlusts (Relaxation) sind. Eine neue experimentelle Strategie nutzt nicht-persistente organische Radikale, die durch UV-Bestrahlung erzeugt werden und nur unterhalb von 200 K stabil sind. Diese Radikale können vor dem Transport eliminiert werden, was zu größerer und langlebigerer Polarisation führt. In diesem Projekt planen wir, experimentelle Protokolle zur Durchführung mehrdimensionaler NMR-Experimente mit UV-HyperW zu etablieren, welche die längeren Relaxationszeiten und höhere Polarisation ausnutzen. Neue NMR-Strategien zur Untersuchung von Austausch und Verweilzeit von Wassermolekülen auf der Oberfläche und im Inneren von Biomolekülen werden entwickelt. Dies wird mit Hilfe eines geeigneten Modellsystems geschehen, welches fest gebundene Wassermoleküle beherbergt. Es wird erwartet, dass diese Moleküle die subtile Dynamik der Proteinstruktur beeinflussen. Zudem werden experimentelle Methoden entwickelt, um große Biomoleküle mit UV-HyperW zu untersuchen. Zunächst wird die Hyperpolarisation von Wasser mit Radikalen für lang-anhaltende Polarisation im festen Zustand entwickelt, um HyperW-Proben zu einer Hochfeld-NMR-Anlage zu transportieren. Dazu werden die Eigenschaften der nicht-persistenten Radikale mit hochauflösender paramagnetischer Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR) und DNP-NMR-Experimenten untersucht. Schließlich werden wir das transportierte UV-HyperW nutzen um große Biomoleküle oberhalb der typischen Auflösungsgrenze der mehrdimensionalen NMR zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Gastgeberin: Dr. Mathilde Hauge Lerche