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Elektronenspinresonanz-Spektroskopie

In Molekülen liegen Elektronen meist paarweise vor. Ungepaarte Elektronen besitzen grundlegend andere Eigenschaften und können daher als hochempfindliche Sonden dienen, um die Struktur und Funktion von biomolekularen Komplexen im "aktiven Zustand" zu untersuchen. Solche sogenannten paramagnetischen Zentren sind manchmal in Proteinen oder Nukleinsäuren natürlich enthalten, können aber auch künstlich als Markierungen eingeführt werden. Mit modernen Methoden der Elektronenspinresonanz (EPR)-Spektroskopie können wir diese Zentren hochselektiv und unter beinahe natürlichen Bedingungen beobachten. Insbesondere entwickeln wir Techniken, bei denen wir gleichzeitig mehrere Zentren mit Mikrowellen und/oder Radiofrequenzstrahlung anregen, um deren magnetische Wechselwirkungen zu manipulieren. Dies gibt uns Auskunft über die Abstände der Zentren im atomaren sowie im Nanometerbereich und über ihre Ausrichtung in den untersuchten Proteinen.

Darüber hinaus verwenden wir Detektionsfrequenzen im Millimeterbereich, die nicht nur supraleitende polarisierende Magnetfelder, sondern auch eine deutlich komplexere Technik für die Signalanregung und Detektion erfordern. Daher führen wir unsere biophysikalischen Untersuchungen Hand in Hand mit methodischen und technischen Weiterentwicklungen.

In biologischen Systemen verlaufen zahlreiche Prozesse über paramagnetische Zustände, die durch Redoxreaktionen oder Radikal- bzw. Elektronentransfermechanismen entstehen. Das Enzym Ribonukleotid-Reduktase, welches für den Bau der Erbsubstanz in Form von Desoxyribonukleinsäuren (DNA) essenziell ist, stellt dafür ein Paradebeispiel dar. Mithilfe verschiedener EPR-Techniken konnten wir über das letzte Jahrzehnt mehrere enzymatische Zwischenschritte aufklären. Zum Beispiel konnten wir im Mechanismus des langreichweitigen (über 35 Å) Elektronentransfers zwischen den Enzymuntereinheiten mehrere Aminosäureradikale als Intermediate identifizieren. Durch die Einführung selektiver Spinmarkierungen wenden wir dieselben Techniken in einem viel breiteren Umfang auf diamagnetische Proteine an. Zu den Schwerpunkten unserer aktuellen Forschung gehören auch Untersuchungen an toxischen, aggregierenden Proteinen, Nukleinsäuren und Membranproteinen.

Elektronen und Atomkerne: Dynamische Kernpolarisation

Wegen ihres größeren magnetischen Momentes, ist der Besetzungsunterschied und damit die Polarisation bei Elektronenspins um drei Größenordnungen größer als bei Kernspins. Die dynamische Kernpolarisation ermöglicht es, die Hyperfeinkopplung zwischen Elektronen- und Kernspin zu nutzen, um die große Polarisation der Elektronenspins auf Kernspins zu übertragen, und damit die Sensitivität der Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) zu erhöhen. Dazu werden paramagnetische Moleküle als sogenannter Polarisator (PA) in Proben für die NMR beigemischt. In kürzlich erfolgten Studien ist es uns dadurch gelungen, unter realistischen Versuchsbedingungen, d.h. bei Magnetfeldern von 3 bis 9.4 Tesla, 13C NMR Signalverstärkungen in flüssiger Phase von 2 - 3 Größenordnungen zu erzielen. Unser Ziel ist es, diese Methodik in Flüssigkeits-NMR zu etablieren. Hierfür untersuchen wir weiter die physikalischen Mechanismen des Polarisationstransfers für verschiedene Kerne und entwickeln neue Hardware.

 

DNP für Dynamik an Grenzflächen zwischen flüssiger und fester Phase (DFG Projekt, Dr. T. Orlando)

Mit diesem Projekt zielen wir darauf ab, die Möglichkeiten von DNP in Flüssigkeiten zur Charakterisierung heterogener Materialien und Grenzflächen zu erweitern. Dafür sind entweder das Zielmolekül oder die PAs an die Oberfläche eines Nanopartikels gebunden. DNP-NMR-Experimente werden bei bis zu 9,4 Tesla Feldern durchgeführt, bei denen die DNP-Verstärkung mit der Auflösung der chemischen Verschiebung gekoppelt werden kann. Goldnanopartikel werden mit einer Monolage funktioneller Gruppen beschichtet, die selektiv Moleküle an der Oberfläche binden können. Auf diese Weise wollen wir die PAs als lokale Sonden auf der Oberfläche verwenden, um die Dynamik der Flüssigkeit an der Oberfläche zu analysieren und dabei die Bindungsmechanismen und die transienten Wechselwirkungen zu verstehen.


Pressemitteilungen & Nachrichten aus der Forschung

Die Forschungsgruppenleiterin erhält Fördermittel des Europäischen Forschungsrates in Höhe von 2,4 Millionen Euro für die nächsten fünf Jahre. Mithilfe dieser Finanzierung möchte die Physikochemikerin mit ihrem Team zwei Methoden kombinieren: die Kernspinresonanz- und die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie. Ziel der Gruppe ist es, empfindlichere und höher aufgelöste Techniken für die Forschung zu entwickeln. mehr

Der Bruker Prize der Elektronenspinresonanz (ESR)-Spektroskopie-Gruppe der britischen Royal Society of Chemistry geht in diesem Jahr an Marina Bennati vom MPI für biophysikalische Chemie. Die Fachgruppe ehrt die Physiko-Chemikerin damit für ihre herausragende Arbeit in der ESR-Spektroskopie. mehr

Elektronenspins als Sonden in Biomolekülen
Ungepaarte Elektronen weisen ein magnetisches Moment auf, das etwa drei Größenordnungen stärker ist als das Moment eines Protons. Mit Methoden der Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie (EPR) kann dieses Moment in hochempfindlichen Messungen als Sonde dienen, um strukturelle Informationen auf der atomaren bis hin zur Nanometerskala zu gewinnen. Solche Experimente liefern Auskunft darüber, wie komplexe Biomoleküle ihre Struktur verändern, während sie ihre speziellen Aufgaben erfüllen. Die Methode der Multifrequenz-EPR-Spektroskopie wurde entwickelt, um enzymatische Reaktionen in Proteinen und Oligonukleotiden zu untersuchen. mehr
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