Was man mit Kernspins alles anstellen kann – NMR-Masterclass mit Kurt Wüthrich

Anders als man meinen sollte, geht es auf der Lindauer Tagung kaum um wirklich aktuelle Forschung, jedenfalls nicht im offiziellen Programm. Die Laureaten erzählen in ihren Vorträgen dann doch meistens Sachen, die schon seit einiger Zeit in den Lehrbüchern stehen. Seit 2011 gibt es allerdings die Masterclasses, und da dürfen ausgewählte Nachwuchsforscher von ihren aktuellen Projekten berichten, und sich von den Meistern ihres Faches Tipps und Tricks abholen. Zumindest in der Theorie. In der Praxis ist es dann meist eher eine Nobelpreisträger-moderierte Vortragsrunde, was natürlich für die Beteiligten auch so schon einer der Höhepunkte ihrer wissenschaftlichen jungen Laufbahn ist.

Beatrice hat gestern ja schon von einer Masterclass mit Dan Shechtman berichtet, wie das dann aussieht. Da kann ich bei der Parallelveranstaltung mit Kurt Wüthrich, die ich besucht habe, es einfach bei dem Hinweis belassen, dass es ziemlich genau so gelaufen ist: Vier Fachvorträge mit einem Nobelpreisträger als Moderator. Unterhaltsam war es aber trotzdem, zumal die Referenten (natürlich) exzellent vorbereitet waren und ihre Themen direkt aus der aktuellen Forschung kommen. Und die hat es in sich.

Wüthrich ist ja der Papst der NMR-Strukturaufklärung von Biomolekülen, und so drehten sich alle Vorträge darum, was man mit angeregten Kernspins so alles anstellen kann. Die Grundlagen der NMR sind im Prinzip recht einfach: Man bringt die Spins der Atomkerne zum Rotieren und misst, wie schnell und wie lange sie danach noch weiter kreiseln. Beides hängt stark davon ab, in was für eine chemische Umgebung das jeweilige Atom eingebaut ist, und so kann man mit Hilfe der einfachsten NMR-Variante, der 1H-NMR, ganz einfach sehen, zu welchen chemischen Gruppen die Atome im Molekül gehören.

Einfaches 1H-NMR-Spektrum. Die einzelnen Signale sind durch die leicht unterschiedlichen Feldstärken an den jeweiligen Atomen verschoben, und außerdem durch Wechselwirkungen untereinander in mehrere Linien aufgespalten. Bild: T. Vanschaik, CC BY-SA

Anhand dieser Informationen kann man mit ein bisschen Übung kleinere Moleküle mit einer Messung sicher identifizieren – das NMR-Spektrum ist für jedes Molekül so charakteristisch wie ein Fingerabdruck. Außerdem kann man das Spielchen mit mehreren unterschiedlichen Atomkernen treiben und mit speziellen Methoden auch detaillierte zweidimensionale Spektren erzeugen. NMR ist toll, um herauszufinden, wie unbekannte Moleküle aufgebaut sind.

Aber wie ich in Wüthrichs Masterclass gesehen habe, ist das Kleinkram, verglichen mit dem, was heutige Forscherinnen und Forscher mit der Methode anstellen. Heutzutage regt man nicht bloß die Kernspins einzelner kleiner Moleküle an, um auf ihre Signale zu lauschen. Stattdessen nutzt man die verschiedenen Interaktionen der Kerne untereinander, um den Weg der Anregungsenergie durch ein komplexes System zu verfolgen.

Rezeptor-Interaktionen an ganzen Zellen messen

Das klassische Beispiel dafür ist die STD-NMR (Erklärskizze hier), die ich noch von früher ein bisschen kenne, deswegen hat es mich natürlich gefreut, dass Cristina Airoldi von der Uni Mailand ihren Vortrag (den zweiten der Session)  über diese Methode gehalten hat. Dabei geht es um Membranrezeptoren, eines der heißesten Forschungsthemen derzeit in der Biochemie. Membranrezeptoren sind quasi die Sinnesorgane der Zelle und stehen am Anfang der bedeutendsten physiologischen Signalketten. Gleichzeitig sind sie sehr schwer zu erforschen, weil sie nur innerhalb einer Membran vernünftig funktionieren. Man kann sie also nicht einfach gentechnisch herstellen und mit klassischen Methoden untersuchen.

Airoldi spart sich deswegen den Nervkram mit der Isolierung und arbeitet mit lebenden Zellen, die die gewünschten Rezeptoren natürlich herstellen. Die Grundfragestellung ist, welche Moleküle mit Rezeptoren interagieren, und da kommt die STD-NMR ins Spiel. Statt eng definierter Anregungspulse, die ein ganz bestimmtes Energiefenster ansprechen, sendet man ein breites Anregungssignal in der ungefähren Frequenz der Wasserstoffkerne des Peptids, so dass die einfach alle angeregt werden. Dann kommen irgendwelche Moleküle und lagern sich an die angeregten Rezeptoren an, und dabei nehmen sie einen Teil der Anregungsenergie auf und senden selbst NMR-Signale. Wer nicht interagiert, bleibt stumm. Auf diese Weise bekommt man sofort ein Spektrum nur jener Moleküle, die auch wirklich interagieren.

“verlorene” Anregungsenergie verrät dynamische Gleichgewichte

Die runden, verwaschenen Flecken sind amyloide Plaques im Gehirn. Sie spielen eine Rolle unter Anderem bei Alzheimer. Bild: KGH, CC BY-SA

Der Energietransfer zwischen verschiedenen Molekülen erlaubt eine ganze Reihe von Schlussfolgerungen. Im ersten Vortrag berichtete Axel Abelein, wie er auf diese Weise den Einfluss kleiner Moleküle auf das Protein β-Amyloid vermisst, das bei Alzheimer Aggregate im Gehirn bilden. Moleküle wie Kongorot beeinflussen die Gleichgewichte zwischen verschiedenen Strukturvarianten, von denen einige in Abeleins Methode nicht sichtbar sind. Regt man eine Strukturvariante an, dann verschwindet ein Teil der Anregung während der Messung, weil die Proteine in den unsichtbaren Zustand übergehen, und aus dieser Information kann man die Gleichgewichte – und ihre Veränderungen durch kleine Moleküle – sehr genau vermessen.

Der dritte Vortrag von Irene Marco-Rius aus Cambridge ging über Krebszellen und ihren Stoffwechsel. Man kann mit NMR eben auch die Stoffwechselprodukte von Tumorzellen nachweisen, allerdings sind die Signale stark verrauscht. Deswegen verwendet die Forscherin spezielle Anregungszustände der Kerne, Triplett-Singulett-Zustände, die wesentlich länger stabil bleiben und so ein besseres Signal ergeben.

Methodenentwicklung: Messen, was man eigentlich nicht messen kann

Zuletzt hat noch Mirko Zerbetto von der Universität Padua berichtet, wie man mit Hilfe präziser NMR-Spektren und Computermethoden berechnet, wie sich Proteine bewegen und in sich selbst verformen. Biomoleküle sind ja keine statischen Strukturen, sondern verformen und verdrehen sich die ganze Zeit durch thermische Bewegung. Und diese Dynamik ist auch für die tatsächliche Funktion sehr wichtig, sie spielt zum Beispiel bei den oben genannten Membranrezeptoren eine große Rolle.

Aber diese Bewegungen sind zu schnell und zu komplex, um sie direkt zu beobachten, besonders wenn es um feine Details geht. Dafür hinterlassen die Bewegungen Spuren im NMR-Spektrum, genauer gesagt in der Linienform der einzelnen Signale. Diese winzigen Verschiebungen kann man dann mit simulierten Mustern vergleichen, die man anhand von Computermodellen dieser dynamischen Bewegung errechnet.

Das ganze ist zwar ziemlich harter Stoff, aber es hat Spaß gemacht, zur Abwechslung mal etwas von der vordersten Front der Forschung zu hören. Wenn man wissen will, was morgen wichtig wird in der Wissenschaft, sollte man nicht nur den Nobelpreisträgern zuhören, sondern vor allem dem Nachwuchs. Die machen nämlich die wirklich interessanten Sachen.

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One Response to “Was man mit Kernspins alles anstellen kann – NMR-Masterclass mit Kurt Wüthrich”

  1. Panagrellus Says:

    Bei “Masterclass” dachte ich auch eher daran, dass der Meister seine Tricks verrät und den Nachwuchs sanft aber bestimmt auf ihre Fehler hinweist – also so, wie man sich das bei Musiker-”Meisterklassen” vorstellt.

    Aber das geht wohl nicht in größerem Rahmen…

    “Man bringt die Spins der Atomkerne zum Rotieren und misst, wie schnell und wie lange sie danach noch weiter kreiseln.”

    Die Erklärung gefällt mir, muss ich mir merken… wenn man dann noch erklärt bekommen würde, was denn dieser ominöse Spin ist? (:

    Danke für den lesenswerten Artikel – harter Stoff, aber auch sehr interessant.

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