title: Solid-state NMR spectroscopic studies concerning the biomineralization process in diatoms and on inorganic phosphorus chalcogenide cage compounds
Creators: name: Gröger, Christian
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2008
Subjects: subject: MAS-NMR-Spektroskopie , Mehrdimensionale NMR-Spektroskopie , Magnetische Kernresonanz , Festkörper , Kieselalgen , Silicate , Biomineralisation , Diatomeen , Phosphor-Schwefel-Käfige , Silizium-29-NMR , Thalassiosira pseudonana , diatoms , phosphorus sulfur cage compounds , Phosphorus 31 NMR , Silicon 29 NMR
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie

description: Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy has become an indispensable method for chemical analysis, molecular structure determination, as well as the study of dynamics in organic, inorganic, and biological systems. Although most NMR experiments are performed on liquid-state samples, solid-state NMR becomes more and more attractive because new research topics such as the study of membrane proteins, amyloid fibrils, biominerals, or inorganic clusters demand examination methods which are able to study such systems in their native environment. The present work deals with solid-state NMR spectroscopic studies of diatoms, a special algal species, as well as of inorganic solids. The characteristic feature of diatoms is the mineralized cell wall containing amorphous silica as well as certain biomolecules. The cell walls exhibit a high degree of complexity and speciesspecific hierarchical structures. The mechanisms yielding such intricate structures are not well understood. These structures are reproduced under mild physiological conditions and within an amazingly short time. The biological processes generating patterned silica are, therefore, of great interest to the emerging field of nanotechnology. The aim of this work is the characterization of diatom cell walls especially with respect to the presence of organic components enclosed in the inorganic silica matrix and the investigation of the silica metabolism of diatoms by means of solid-state NMR spectroscopic techniques. A further subject of the present work is the structural characterization of phosphorus chalcogenide cage compounds. The results of single crystal X-ray analysis of such compounds are ambiguous, e.g., with respect to the distinction of phosphorus and sulfur. In addition these compounds are insoluble. Therefore, solid-state NMR spectroscopy appears to be the method of choice for structural analysis of these compounds.
description: Die Festkörper-NMR-Spektroskopie gewinnt gegenwärtig zunehmend an Bedeutung und hat sich inzwischen wichtige Anwendungsgebiete sowohl auf strukturbiologischem wie auch materialwissenschaftlichem Gebiet erschlossen. Die vorliegende Arbeit beschreibt Anwendungen der Festkörper-NMR-Spektroskopie zur Untersuchung des Biomineralisationsprozess bei Diatomeen (Kieselalgen). Diatomeen sind einzellige, Photosynthese betreibende Algen, welche in fast allen Süß- und Meerwasser Biotopen der Welt verbreitet sind. Sie besitzen eine wichtige Funktion als Primärproduzenten von Biomasse und gehören damit auch zu den größten Sauerstoffproduzenten der Erde. Auffälligstes Merkmal der Diatomeen sind ihre kompliziert aufgebauten und artspezifischen Schalen aus Siliziumdioxid. Die Schalen weisen eine hochkomplexe Musterung auf, die bei der Zellteilung innerhalb kurzer Zeit reproduziert werden kann. Das Schalenmaterial besteht zum Großteil aus Siliziumdioxid, in das aber auch organisches Material eingelagert ist. Es wird vermutet dass diese organischen Komponenten von entscheidender Bedeutung für die Funktion und die Materialeigenschaften der Zellwand sind, aber auch am Syntheseprozess der Zellwände beteiligt sein könnten. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Schalenmaterial der Kieselalgen näher zu untersuchen sowie den internen Silikatmetabolismus der Diatomeenzelle vor allem im Hinblick auf das Vorhandensein eines (bisher hypothetischen) internen Silikat-Speicherpools zu untersuchen. Dabei wurden vor allem 29Si Festkörper-NMR-spektroskopische Untersuchungsmethoden angewandt. Die Festkörper-NMR-Spektroskopie zeichnet sich unter anderem dafür aus, dass sie nicht destruktiv ist und auch keine spezielle Probenvorbehandlung erfordert. Um zunächst das Schalenmaterial näher zu untersuchen, wurden sowohl eindimensionale (1D) als auch zweidimensionale (2D) Festkörper-NMR-Experimente durchgeführt. Die aufgenommen 1D 29Si NMR-Spektren von isolierten Schalen weisen eine große Ähnlichkeit mit kommerziell erhältlichem Silikat auf und liefern keine Hinweise auf etwa vorhandenes organisches Material in den Zellwänden. Daher wurden Cross Polarisation (CP) Experimente sowohl an extrahierten Schalen als auch an kommerziell erhältlichen Siliziumdioxid durchgeführt, wobei die Magnetisierung von Protonen auf benachbartes Silizium übertragen wird. Die aus diesen Experimenten gewonnen Zeitkonstanten, welche für diesen Polarisationstransfer charakteristisch sind, weisen einen deutlichen Unterschied zwischen den extrahierten Zellwänden und dem kommerziellen Silikat auf. Die CP-Aufbau-Zeitkonstante des Schalenmaterials ist signifikant kürzer, was darauf hinweist, dass andere Protonenquellen wie z.B. organisches Material in den Zellwänden vorhanden ist. Das oben angeführte CP-Experiment konnte auch auf heteronukleare 2D-Experimente erweitert werden. Bei dieser Art von Experimenten kann an Hand der chemischen Verschiebung sowohl die Protonen- als auch die Silikatspezies identifiziert werden, zwischen denen die Magnetisierung transferiert wird. Die Spektren, die sowohl für feuchtes als auch für getrocknetes Schalenmaterial aufgenommen wurden, weisen darauf hin, dass Wasser in offenbar vorhandene Hohlräume des Silikatmaterials eindringen kann. Durch weitere 1D und 2D 13C NMR Experimente an isolierten Schalen konnte auch direkt das organische Material in den Schalen nachgewiesen werden. Kieselsäurekonzentrationen weit oberhalb der Sättigungsgrenze für Monokieselsäure, wurden inzwischen interzellulär in vielen Diatomeen nachgewiesen. Durch die in der Literatur dokumentierten Untersuchungsmethoden konnte bis jetzt die Beschaffenheit dieses internen Silikat-Speicherpools nicht eindeutig nachgewiesen werden. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, mittels 29Si Festkörper-NMR-Spektroskopie in Kombination mit konfokaler Laserfluoreszenzmikroskopie die Beschaffenheit und Größe dieses Silikat-Speicherpools zu untersuchen. Dazu wurde eine neue Methode entwickelt, welche es erlaubt, intakte schockgefrorene Zellen Festkörper-NMR-spektroskopisch zu vermessen. Eine detaillierte quantitative Analyse der 29Si NMR-Spektren ergab, dass der Großteil der aufgenommenen Kieselsäure nicht als Monokieselsäure gespeichert wird, sondern als bereits vorkondensiertes Silikat in der Zelle vorliegt. Bei diesem Experiment konnten außerdem zum ersten Mal NMR-Spektren mit Hilfe der konfokalen Laserfluoreszenzmikroskopie eindeutig den verschiedenen Entwicklungsstadien der sich teilenden Zelle zugeordnet werden. Einen weiteren Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bilden Untersuchungen zur strukturellen Charakterisierung von Phosphor-Schwefel-Käfigverbindungen. Phosphor und Schwefel sind mit Methoden der Röntgenstreunung nur schwer oder gar nicht zu unterschieden. Deshalb ist eine sichere Zuordnung der mittels Röntgenstreunung erhaltenen Daten oft nicht möglich. Festkörper NMR Spektroskopie stellt eine elementselektive und quantitative Methode dar, um solche Systeme zu charakterisieren und vor allem auch die Bindungsstellen zu den Kupfer-Addukten eindeutig zu bestimmen. In dieser Arbeit wurde eine Reihe von Phosphor-Schwefel-Käfigverbindungen, die mit verschiedenen Addukten (Kupfer-Iodid, Kupfer-Bromid, Kupfer-Chlorid) umgesetzt wurden, mittels 31P Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht. In einem weiteren Schritt wurde die Anwendung von komplexeren 2D Festkörper-NMR-spektroskopischen Experimenten auf diese Systeme etabliert, welche es erlauben, strukturelle Informationen aus den aufgenommen Spektren zu ziehen. An Hand der ermittelten Daten konnte ein Zusammenhang zwischen der Kupfer-Phosphor-Kopplungskonstante und der Elektronegativität der in der Probe vorhandenen Halogene nachgewiesen werden.