Was ist die kernmagnetische Resonanzspektroskopie von Proteinen?
What is the nuclear magnetic resonance spectroscopy of proteins?
Nuclear magnetic resonance spectroscopy of proteins (usually abbreviated protein NMR) is a field of structural biology in which NMR spectroscopy is used to obtain information about the structure and dynamics of proteins, and also nucleic acids, and their complexes. The field was pioneered by Richard R. Ernst and Kurt Wüthrich at the ETH,[1] and by Ad Bax, Marius Clore, Angela Gronenborn at the NIH,[2] and Gerhard Wagner at Harvard University, among others. Structure determination by NMR spectroscopy usually consists of several phases, each using a separate set of highly specialized techniques. The sample is prepared, measurements are made, interpretive approaches are applied, and a structure is calculated and validated.

NMR involves the quantum-mechanical properties of the central core ("nucleus") of the atom. These properties depend on the local molecular environment, and their measurement provides a map of how the atoms are linked chemically, how close they are in space, and how rapidly they move with respect to each other. These properties are fundamentally the same as those used in the more familiar magnetic resonance imaging (MRI), but the molecular applications use a somewhat different approach, appropriate to the change of scale from millimeters (of interest to radiologists) to nanometers (bonded atoms are typically a fraction of a nanometer apart), a factor of a million. This change of scale requires much higher sensitivity of detection and stability for long term measurement. In contrast to MRI, structural biology studies do not directly generate an image, but rely on complex computer calculations to generate three-dimensional molecular models.

Currently most samples are examined in a solution in water, but methods are being developed to also work with solid samples. Data collection relies on placing the sample inside a powerful magnet, sending radio frequency signals through the sample, and measuring the absorption of those signals. Depending on the environment of atoms within the protein, the nuclei of individual atoms will absorb different frequencies of radio signals. Furthermore, the absorption signals of different nuclei may be perturbed by adjacent nuclei. This information can be used to determine the distance between nuclei. These distances in turn can be used to determine the overall structure of the protein.

A typical study might involve how two proteins interact with each other, possibly with a view to developing small molecules that can be used to probe the normal biology of the interaction ("chemical biology") or to provide possible leads for pharmaceutical use (drug development). Frequently, the interacting pair of proteins may have been identified by studies of human genetics, indicating the interaction can be disrupted by unfavorable mutations, or they may play a key role in the normal biology of a "model" organism like the fruit fly, yeast, the worm C. elegans, or mice. To prepare a sample, methods of molecular biology are typically used to make quantities by bacterial fermentation. This also permits changing the isotopic composition of the molecule, which is desirable because the isotopes behave differently and provide methods for identifying overlapping NMR signals.
Die Kernspinresonanzspektroskopie von Proteinen (meist mit Protein-NMR abgekürzt) ist ein Bereich der Strukturbiologie, in dem die NMR-Spektroskopie eingesetzt wird, um Informationen über die Struktur und Dynamik von Proteinen und Nukleinsäuren sowie deren Komplexe zu erhalten. Richard R. Ernst und Kurt Wüthrich an der ETH, Ad Bax, Marius Clore, Angela Gronenborn am NIH, Gerhard Wagner an der Harvard University und andere haben Pionierarbeit geleistet. Die Strukturbestimmung durch NMR-Spektroskopie besteht in der Regel aus mehreren Phasen, in denen jeweils eine eigene Reihe von hochspezialisierten Techniken zum Einsatz kommt. Die Probe wird vorbereitet, Messungen werden durchgeführt, Interpretationsansätze werden angewandt, und eine Struktur wird berechnet und validiert.

Bei der NMR geht es um die quantenmechanischen Eigenschaften des zentralen Kerns ("Nukleus") des Atoms. Diese Eigenschaften hängen von der lokalen molekularen Umgebung ab, und ihre Messung gibt Aufschluss darüber, wie die Atome chemisch miteinander verbunden sind, wie nahe sie sich im Raum befinden und wie schnell sie sich zueinander bewegen. Diese Eigenschaften sind im Grunde dieselben wie bei der bekannteren Magnetresonanztomographie (MRT), aber die molekularen Anwendungen verwenden einen etwas anderen Ansatz, der dem Maßstabswechsel von Millimetern (der für Radiologen von Interesse ist) zu Nanometern (gebundene Atome sind typischerweise nur einen Bruchteil eines Nanometers voneinander entfernt), also einem Faktor von einer Million, entspricht. Dieser Maßstabswechsel erfordert eine viel höhere Nachweisempfindlichkeit und Stabilität für Langzeitmessungen. Im Gegensatz zur MRT wird bei strukturbiologischen Untersuchungen nicht direkt ein Bild erzeugt, sondern es werden komplexe Computerberechnungen durchgeführt, um dreidimensionale Molekülmodelle zu erstellen.

Derzeit werden die meisten Proben in einer Lösung in Wasser untersucht, aber es werden Methoden entwickelt, die auch mit festen Proben funktionieren. Bei der Datenerfassung wird die Probe in einen starken Magneten gelegt, der Hochfrequenzsignale durch die Probe sendet und die Absorption dieser Signale misst. Je nach der Umgebung der Atome im Protein absorbieren die Kerne der einzelnen Atome unterschiedliche Frequenzen der Radiosignale. Außerdem können die Absorptionssignale der einzelnen Kerne durch benachbarte Kerne gestört werden. Diese Informationen können genutzt werden, um den Abstand zwischen den Kernen zu bestimmen. Anhand dieser Abstände lässt sich wiederum die Gesamtstruktur des Proteins bestimmen.

Eine typische Untersuchung könnte sich damit befassen, wie zwei Proteine miteinander interagieren, möglicherweise mit dem Ziel, kleine Moleküle zu entwickeln, mit denen die normale Biologie der Interaktion erforscht werden kann ("chemische Biologie") oder die mögliche Anhaltspunkte für den pharmazeutischen Einsatz liefern (Arzneimittelentwicklung). Häufig wurde das interagierende Proteinpaar durch humangenetische Studien identifiziert, was darauf hindeutet, dass die Interaktion durch ungünstige Mutationen gestört werden kann, oder sie spielen eine Schlüsselrolle in der normalen Biologie eines "Modellorganismus" wie der Fruchtfliege, Hefe, dem Wurm C. elegans oder der Maus. Um eine Probe vorzubereiten, werden in der Regel Methoden der Molekularbiologie eingesetzt, um durch bakterielle Fermentation Mengen herzustellen. Dadurch kann auch die Isotopenzusammensetzung des Moleküls verändert werden, was wünschenswert ist, weil sich die Isotope unterschiedlich verhalten und Methoden zur Identifizierung sich überschneidender NMR-Signale bieten.
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