Einblicke in Mikrosekundendynamik über Festkörper-NMR

Festkörper-NMR-Spektroskopie bei schnellem Magic-Angle-Spinning hat im letzten Jahrzehnt eine gewisse Revolution der NMR-Spektroskopie ausgelöst. Insbesondere Proteindynamik kann mit dieser Technik in vielen Facetten untersucht werden. Relaxationsdispersion ist eine etablierte Methode zur Erfassung von konformationellem Austausch innerhalb von Proteinen auf der µs Zeitskala. Sie wird zum Verständnis von katalytischer Aktivität (Hin- und Herschalten zwischen aktiven und inaktiven Zuständen), Selektivität bei Proteininteraktionen (Hin- und Herschalten zwischen bindungskompetenten und bindungsinkompetenten Zuständen) und Proteinstabilität (Hin- und Herschalten zwischen gefalteten und ungefalteten Zuständen) u. a. verwendet und hat sich insbesondere in der NMR-Spektroskopie in Lösung als universelles Werkzeug etabliert. Die NMR-Technik basiert auf Interferenzen zwischen Radiofrequenzfeldern und interner Beweglichkeit und ist in unterschiedlicher Art und Weise auch in der Festkörper-NMR-Spektroskopie möglich.

Die bestgeeigneten Reporter für die gesuchten Effekte sind hier Heterokerne wie ¹⁵N und ¹³C, die aber gerade in Liganden wie Substraten bei Enzymkatalyse oder Inhibitoren bei pharmakologisch relevanten Prozessen nicht häufig eingebettet werden können. Die Arbeitsgruppe um Prof. Rasmus Linser hat sich daher gezielt mit Möglichkeiten beschäftigt, die Effekte mittels Protonenkohärenzen zu beleuchten, die je nach Charakteristik der Dynamik des jeweiligen Aminosäurerestes bestimmte Profile zeigen (Abb. 1).

Messdaten — Abb. 1: A) Der Effekt des „1H NERRD“, repräsentiert als Profile, die sich für jeden Rest im entsprechenden Experiment erhalten lassen, wobei die unterschiedlichen Farben unterschiedliche Zeitskalen des Effektes simulieren. B) Es existieren bestimmte experimentelle Bedingungen (gelbe Linie), bei denen ungewünschte Effekte minimal sind. C) Experimentell erhaltene Profile für einen Loop, wobei die Amplitude zum Zentrum des Loops hin zunimmt und hinterher wieder abnimmt.

In der Arbeit zu ¹H NERRD Profilen von Dr. Suresh Vasa und Tye Gonzalez werden zwar die fundamentalen Limits von Protonen als Reportern für Proteindynamik mittels Simulation und Experiment aufgezeigt. Trotz dieser werden mit der neuen Methode aber eine grobe Charakterisierung der µs Dynamik in Bezug auf die Geschwindigkeit sowie die Amplitude der anvisierten Prozesse möglich (Abb. 2).