Sensitivity Enhancement of Liquid-State NMR and Improvement of the INPHARMA Method
Empfindlichkeitssteigerung der Flüssigkeits-NMR und Verbesserung der INPHARMA Methode
by Marcel Reese
Date of Examination:2010-04-08
Date of issue:2011-03-07
Advisor:Prof. Dr. Christian Griesinger
Referee:Prof. Dr. Christoph F. Schmidt
Referee:Prof. Dr. Christian Griesinger
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2894
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Format:PDF
Description:Kumulative Dissertation
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Abstract
English
In the presented work the possibility of signal enhancement of high-resolution nuclear-magnetic-resonance (NMR) in aqueous solution, with the intent of application to macromolecular biomolecules, was investigated. Using stable radicals and microwave irradiation at low magnetic field (0.34 T), fast sample transfer to a high magnetic field (14.09 T) and following signal acquisition it was demonstrated that it is possible to observe dynamical nuclear polarization (DNP). Signal enhancement factors of up to 16 have been achieved. Furthermore the prerequisites and mechanisms of polarization transfer from the unpaired electrons of the radicals to the nuclei were investigated. In a further part of the work the NMR-based INPHARMA method for structural characterization of receptor-ligand-interaction in the context of structure-based drug design was extended so that it became possible to use the experimental data to directedly improve structural models by computational means. The necessary theoretical foundations have been formulated and were implemented into the software package XPLOR-NIH to allow for structure determination based on gradient and simulated annealing protocols.
Keywords: NMR ligand INPHARMA DNP microwave signal enhancement sensitivity NOESY Overhauser effect structure based drug design
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In der vorliegenden Arbeit wurde eine Möglichkeit der Signalverstärkung der hochaufgelösten Kernresonanzspektroskopie (NMR) in wässrigen Lösungen, mit dem Ziel der Anwendung auf makromolekulare Biomoleküle, untersucht. Unter der Verwendung von stabilen Radikalen und Mikrowelleneinstrahlung bei einem niedrigen magnetischen Feld (0.34 T), schnellen Probentransfer zu einem hohem magnetischen Feld (14.09) und anschließender Detektion wurde gezeigt, dass es möglich ist dynamische Kernpolarisation (DNP) und Signalverstärkungen von bis zu einem Faktor 16 zu erzielen. Des weiteren wurden die Voraussetzungen und Mechanismen des Polarisationstransfers von den ungepaarten Elektronen der Radikale zu Kernspins der Probe untersucht. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde die NMR-basierte INPHARMA-Methode zur strukturellen Charakterisierung von Rezeptor-Liganden-Wechselwirkungen im Kontext der strukturbasierten Medikamentenentwicklung erweitert, so dass es nun möglich ist die gewonnenen Messdaten computerbasiert zur gerichteten Optimierung von Strukturmodellen zu verwenden. Dazu wurden die nötigen theoretischen Grundlagen erarbeitet und in das Softwarepaket XPLOR-NIH implementiert um Strukturrechnung auf der Basis von Gradienten- und Simulated-Annealing Protokollen durchzuführen.
Schlagwörter: NMR Ligand INPHARMA Medikament DNP Hyperpolarisation Signalverstärkung Empfindlichkeit Shutte Mikrowelle NOESY Overhauser-Effekt