Development of MAS solid state NMR methods for structural and dynamical characterization of biomolecules

Das Verständnis der Mechanismen, nach denen biologische Systeme ablaufen, ist ein wichtiger Fokus der aktuellen Strukturbiologie. Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) ist eine geeignete Technik, um solche Ziele anzustreben sowie Struktur und Dynamik von Biomolekülen zu erforschen, um komplementäre Informationen zum Verständnis von Proteinfunktionalität zu erhalten. Rasante Fortschritte sind vor nicht langer Zeit auf dem Gebiet biologischer Festkörper-NMR (ssNMR) erzielt worden, was zu vollständiger Strukturaufklärung zahlreicher Peptide und kleiner Proteine, der Beschreibung von Protein-Komplexbildung sowie der der dynamischen Eigenschaften kleiner Proteine geführt hat. Festkörper-NMR ist die Methode der Wahl bei struktureller und dynamischer Charakterisierung von Membranproteinen und aggregierten amyloidogenen Systemen, die schwer löslich und kaum mit Lösungs-NMR oder Röntgenkristallographie zugänglich sind. Moderne Festkörper-NMR ist noch immer limitiert, was Auflösung und Empfindlichkeit betrifft, und macht weitere Entwicklungen auf den Gebieten der Probenpräparation und des Pulssequenz-Designs erforderlich. In meiner Arbeit untersuche ich die potenzielle Verwendung von Deuterierung in der Protein Festkörper-NMR zur Erhöhung von Empfindlichkeit und Auflösung in 15N-1H Korrelationsexperimenten. Der erzielte Fortschritt auf diesen Gebieten erlaubt die Verfolgung von Proteinrückgratbewegungen mit hoher Genauigkeit, die vorher nicht verfügbar war. Wir zeigen zum ersten Mal, dass TROSY Experimente für Festkörper-NMR gewinnbringend sind. Außerdem wurde eine Pulssequenz für 13C-13C J Kopplung zur Erhöhung der Auflösung in der Kohlenstoff-Dimension entwickelt.Understanding the mechanisms how biological systems work is an important objective of current structural biology. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a well suited technique to approach these goals and to study structure and dynamics of biomolecules in order to obtain complimentary information for understanding functionality of proteins. Recently, rapid progress has been made in the field of biological solid state NMR (ssNMR), which resulted in complete structure elucidation of several peptides and small proteins, the characterization of protein complex formation and the characterization of dynamic properties of small proteins. Solid state NMR is the method of choice for structural and dynamic characterization of membrane proteins and aggregated amyloidogenic systems, which are poorly soluble and can not be easily studied by solution state NMR and X-ray spectroscopy. Modern solid state NMR is still limited in resolution and sensitivity, and requires developments in sample preparation and pulse sequence design. In my thesis, I study the potential use of deuteration in protein solid state NMR for sensitivity, as well as for resolution enhancement in 15N-1H correlation experiments. Achieved progress in these fields allows to monitor backbone motion with high accuracy, which has not been available before. We show for the first time that TROSY type experiments can be beneficial for solid state NMR. In addition, a pulse sequence for 13C-13C J decoupling was developed to increase resolution in the carbon dimension