Development of a universal alignment medium for the extraction of RDCs and structure elucidation with tensorial constraints
Creators: name: Gloge, Thomas
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: RDCs
residual dipolar couplings
partial alignment
alignment media
strain induced alignment in a gel
SAG
MDOC
molecular dynamics with orientational constraints
structural elucidation
anisotropy
tensorial constraints
molecular dynamics simulation
prochiral assignment
diastereoisomeric discrimination
configuration
conformation
Saupe Matrix
DQ NMR
Relaxometry
PEG
PEGDA
PEO
PEODA
poly(ethylene glycol)
poly(ethylene oxide)
Poly(ethylene oxide) diacrylate
Poly(ethylene glycol) diacrylate
anisotropic NMR
semi-automatic extraction of couplings
small organic molecules
peptide
protein
borneol
sucrose
amyloid precursor protein
APP
malectin
gramicidin S
ethinylestradiol
molecular modelling
conformational space
spiroindene
staurosporin
douple quantum proton NMR

description: In der hochauflösenden Kernresonanzspektroskopie liefern rest-anisotrope Parameter wie dipolare Restkopplungen (RDcs), restliche chemische Verschiebungsanisotropien (RCSAs) und quadrupolare Restkopplungen (RQCs) wertvolle Informationen, die zu den unter isotropen (standard-) Bedingungen gemessenen NMR-Parametern für die Strukturverfeinerung und -aufklärung komplementär sind. Daher ist ein homogenes und ausreichend schwaches sogenanntes "Alignment" in sogenannten Alignmentmedien erforderlich, um eine geringe Anisotropie in der Probe zu induzieren. Obwohl eine Vielzahl unterschiedlicher Alignmentmedien und -methoden existiert, werden sie recht selten genutzt, da die derzeit verfügbaren üblichen Alignmentmedien entweder speziell für die Anwendung mit kleinen organischen Molekülen oder für große (Bio-) Makromoleküle entwickelt wurden und ihre Verwendung auf bestimmte Lösungsmittel beschränkt ist. Neben flüssigkristallinen Phasen werden mechanisch gestreckte oder gestauchte Polymergele zur adäquaten Ausrichtung von gelösten Stoffen eingesetzt. Oft kann die Präparation von Proben bis zum Äquilibrieren bis zu Wochen und Monaten dauern, was die Nutzung dieser Methoden im kommerziellen Bereich eher erschwert. Frühere Untersuchungen mit vernetzten Polyethylenoxid-Hydrogelen (PEO) zeigten eine erhebliche Quellung in einer Vielzahl von Lösungsmitteln. Leider erforderte die Vernetzung die Verwendung von $\beta$- oder $\gamma$-Strahlung oder wochenlange Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. In dieser Arbeit wird ein schneller Syntheseweg optimiert und vorgestellt, um homogene Gelstäbchen auf Basis von PEO als Alignmentmedien herzustellen, der mit den in jedem modernen Labor verfügbaren Mitteln nachvollzogen werden kann. Darüberhinaus wird das Quellverhalten in einer Vielzahl von reinen Lösungsmitteln und Gemischen aufgezeigt und der Einfluss des Massengehalts während der Vernetzung untersucht. Durch Verwendung eines Ausgangsmaterials mit geringer Dispersität wird Kontrolle über die Verteilung der Kettenlängen zwischen den Vernetzungspunkten ermöglicht, wodurch homogene Gele mit schmalen Linienbreiten erhalten werden. Gequollene Poly(ethylen oxid) diacrylat (PEODA) Gele, die mit unterschiedlichem Massenanteil vernetzt wurden, werden zusätzlich mit Doppelquanten NMR (DQ-NMR) untersucht, um das Verhältnis von vernetztem Anteil und der Solfraktion inklusive der Defekte im Netzwerk zu ermitteln. Die Anwendbarkeit von PEODA in skalierbaren Streck- und Kompressionsapparaturen wird präsentiert und erfolgreich mit reinen Lösungsmitteln und Gemischen demonstriert. Hierbei wird eine Methode eingeführt, die ein schnelles externes Äquilibrieren und Übertragen in die Probenröhrchen ermöglicht. Es wird gezeigt, dass durch Feinabstimmung verschiedener Parameter, vernetztes PEODA als universelles Alignmentmedium für gelöste Substanzen, die von kleinen Naturstoffen bis zu Proteinen reichen, geeignet ist. Die bisher angewandte Methode der manuellen Extraktion von Kopplungen ist zeitaufwändig und subjektiv. Es wird ein Verfahren zur halbautomatischen Extraktion von Kopplungen vorgestellt, welches mathematisch auf der Anwendung von Kreuz- bzw. Autokorrelationen beruht. Für die Auswertung von RDCs an kleinen organischen Molekülen, wurden Moleküldynamiksimulationen mit orientierenden Randbedingungen evaluiert und angewandt (engl.: molecular dynamics with orientational constraints, MDOC), einer Molekülmechanik-Methode, die ohne Annahmen über die Ausgangskonformation auskommt. Die Methode ermöglicht die Bestimmung des Konformationsraums anhand experimenteller anisotroper Daten, die als tensoriell orientierende Bedingungen in das Kraftfeld einfließen. Wenn gelöste Moleküle flexibel sind und in unterschiedlichen Konformationen auftreten, ist die Interpretation der Daten mit bisherigen Methoden aufgrund der gemittelten Natur der extrahierten Daten schwierig und Annahmen über auftretende Konformere müssen getroffen werden, die unter Umständen nicht gerechtfertigt sind. In diesen Fällen ist der MDOC Ansatz vorzuziehen, da die Interpretation der RDCs nicht durch die Wahl der Modellierung beeinflusst wird.