Magnetresonanz macht Unsichtbares sichtbar

Ein Forschertrio unter Beteiligung von Dennis Kurzbach von der Fakultät für Chemie der Universität Wien hat in "Nature Protocols" eine erweiterte NMR (Nuclear Magnetic Resonance)-Methode vorgestellt, die selbst schnelle und komplizierte biomolekulare Prozesse wie etwa die Proteinfaltung "sichtbar" macht.

Beispielsweise galt die Proteinfaltung lange als großes Mysterium der Forschung. Die in Millisekunden stattfindende Faltung in den Zellen, bei der Ketten aus Aminosäuren ihre 3D-Gestalt und damit ihre Funktion annehmen, war selbst für die NMR-Spektroskopie – der Standardmethode zur Untersuchung von Molekülstrukturen – nicht abbildbar. Durch den Einsatz von sogenanntem hyperpolarisierten Wasser ist es nun gelungen eine Methode zu entwickeln, mit der die Signale von Eiweißen, Erbgut (DNA) und anderen Biomolekülen dramatisch verstärkt werden. Somit wird es möglich, auch Prozesse wie die Proteinfaltung zu charakterisieren.

Biologische Prozesse in Echtzeit beobachten

Mit der NMR-Spektroskopie können Forscher*innen die magnetischen Eigenschaften von Atomen bestimmen und so auf die atomare Struktur von Molekülen in Lösung zurückschließen. Die von Dennis Kurzbach mit seinen Kollegen Christian Hilty (USA) und Lucio Frydman (Israel) vorgestellte Methode baut auf die gängige NMR-Spektroskopie auf und ermöglicht es, biologische Prozesse in Echtzeit zu beobachten. Das geling, indem die Forscher unter Hinzuziehen von hyperpolarisiertem Wasser die NMR-Signale der zu untersuchenden Probe um ein Vielfaches verstärken und so schärfere Messungen anstellen können. In etwa nach dem Prinzip: 'Je schärfer das Messer, umso feiner der Schnitt.'

Mit Hilfe der Hyperpolarisation (genauer durch Dissolution Dynamic Nuclear Polarization, kurz D-DNP) wird eine bis zu 10.000-fache Signalverstärkung bei der NMR-Messung erreicht. "Das hyperpolarisierte Wasser wirkt wie ein Booster für die NMR-Signale, die die Proteine bei der Messung abgeben. Im Zuge des Verfahrens werden dabei die Wasserstoffkerne des hyperpolarisierten Wassers mit jenen von den Proteinen ausgetauscht und so die Signalstärke auf die Proteine transferiert", sagt Dennis Kurzbach vom Institut für Biologische Chemie und stellvertretender Leiter des NMR-Zentrums an der Fakultät für Chemie.

Mit der neuen Methode können die Forscher*innen alle 100 Millisekunden ein NMR-Spektrum aufzeichnen und damit die 3-D-Koordinaten einzelner Aminosäuren und ihre Veränderung über die Zeit verfolgen. "So können wir Prozesse, die in Millisekunden ablaufen, zeitlich auflösen und einzelne Atome unterscheiden", so der Chemiker und Methodenentwickler Dennis Kurzbach. 

NMR für Proteinanalysen besser nutzen

In ihrer Arbeit beschreiben die Forscher die Durchführung ihrer Methode im Detail – von der Hyperpolarisation über den Transfer des hyperpolarisierten Wassers in das NMR-Spektrometer bis hin zur Mischung des hyperpolarisierten Wassers mit der Lösung, in der sich die Probe befindet, sowie die NMR-Messung. Zudem stellen die Forscher auch sechs Anwendungsbeispiele für ihre neue Methode vor, darunter die Beobachtung von Proteinfaltung oder auch die Wechselwirkungen von RNA (Nukleinsäuren) und ihren Ziel-Proteinen als Basis für Genexpressionen in der Zelle. Ihre Methode könne für spezifische Untersuchungen von RNA, DNA und Polypeptiden verwendet werden, insbesondere wenn die Signalverstärkung die "magische" Zahl von 1.000-fach erreicht, schreiben die Forscher.

Voraussetzung für die Durchführung der DNP-NMR mit hyperpolarisiertem Wasser ist aber ein NMR-Spektrometer mit einem Hyperpolarisationsprototyp, von dem es weltweit bisher noch nicht viele gibt. An der Fakultät für Chemie der Universität Wien wird seit 2020 ein solches Gerät betrieben, welches der Methodenforscher Dennis Kurzbach über einen ERC Starting Grant aufbauen und etablieren konnte.

Originalpublikation:

Hyperpolarized water as universal sensitivity booster in biomolecular NMR. Christian Hilty, Dennis Kurzbach, Lucio Frydman, Nature Protocols 2022

DOI: 10.1038/s41596-022-00693-8

Ergänzende Publikation:

Residue-resolved monitoring of protein hyperpolarization at sub-second time resolution. Mattia Negroni & Dennis Kurzbach, Communications Chemistry, 4,147 (2021)

https://www.nature.com/articles/s42004-021-00587-y 

Abbildung: 

Ein kristallklarer Blick auf Proteinstrukturen: Hyperpolarisation lässt Aminosäuren, also der Proteinbausteine, aufleuchten. (© Mattia Negroni)