Ergebnisbericht 2010/11 - Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

52 SONDERBEITRÄGE | Magnetische Kernresonanzspektroskopie, ein wichtiges Instrument im Arsenal der Technologieplattform
Magnetische Kernresonanzspektroskopie, ein wichtiges
Instrument im Arsenal der Technologieplattform des HZI
AUTOR | Dr. Victor Wray | Forschungsgruppe Biophysikalische Analytik | vwr@helmholtz-hzi.de
Die Analytikplattform ist die älteste zentrale Einrichtung am HZI, die mit modernsten Instrumentarien und den besten Kapazitäten
zur strukturellen Untersuchung aller Arten von Biomolekülen ausgestattet ist. Die Plattform stellt detaillierte Strukturdaten in den
unterschiedlichsten Formen bereit. Sie sind für das Verständnis der grundlegenden molekularen Mechanismen und der Wechsel-
wirkungen, die die Zellprozesse bei der Wirt-Pathogen-Interaktion steuern, von großer Bedeutung.
Die Plattform stellt umfangreiche Instrumentarien zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur aller Arten von Naturstoffen
zur Verfügung und bietet Einsatzmöglichkeiten für nahezu alle Bereiche im Rahmen von HZI-Forschungsprogrammen zum Thema
„Infektion und Immunität”.
Jüngste Berichte aus dieser Reihe konzentrieren sich auf den Einsatz der Elektronenmikroskopie und der Röntgen-Kristallographie.
Mit der Elektronenmikroskopie können diverse Super-Makromoleküle, Organellen und Bakterien bildlich dargestellt werden.
Desweiteren gibt dieses Verfahren Aufschluss über kleinste Details bezüglich der Art und Weise, wie viele Pathogene sich an die
Wirtszelle haften und in diese eindringen. Die Röntgenkristallographie, eine Ergänzung zur Elektronenmikroskopie, bietet die Mög-
lichkeit, strukturelle Details von Proteinen und deren Molekülkomplexen in Verbindung mit Liganden und anderen Proteinen auf
atomarer Ebene zu untersuchen. Mit dieser Methode konnten viele Informationen darüber gewonnen werden, in welcher Weise
die Bakterien an der Wirtszelle anhaften, in diese eindringen und sich vermehren und wie der Rezeptorsignalweg beim Menschen
funktioniert. In diesem Beitrag wird der Einsatz der magnetischen Kernresonanzspektroskopie für Untersuchungen von Naturstoffen
mit kleinem Molekulargewicht in Lösungen genauer beschrieben. Diese Untersuchungen spielen bei der Erforschung und Entwick-
lung von neuartigen Antiinfektiva eine wichtige Rolle. Daraus ergeben sich Informationen, die über die mit der Röntgenkristallo-
graphie gewonnenen Erkenntnisse hinausgehen.
Einleitung Am Institut wurde bereits in den Anfangsjahren
nach der Gründung erkannt, dass zur Erforschung grundlegender
natürlicher Prozesse Instrumente erforderlich sind,
mit deren Hilfe die biologischen Strukturen untersucht werden
können. Durch die rasante Entwicklung auf dem Gebiet
der physikalisch-technischen Grundlagenforschung und die
Nutzung der Vorteile der Computertechnik konnten in den
letzten vier Jahrzehnten enorme Fortschritte verzeichnet
werden. Dabei war für die Strukturbiologie die rasante Entwicklung
auf dem Gebiet der magnetischen Kernresonanz -
spektroskopie (NMR), der Massenspektrometrie (MS), der
Röntgenkristallographie und der Elektronenmikroskopie
(EM) von besonderer Bedeutung. Diese Verfahren bilden
zusammen das Kernstück des Instrumentariums am HZI
und bieten die Möglichkeit, kleinste Details des gesamten
Spektrums biologischer Strukturen zu erforschen: von den
kleinsten Mengen natürlich vorkommender Stoffe (NMR und
MS) über Makromoleküle und deren Komplexe (Röntgen)
bis zu den größten Strukturen, wozu auch Organellen und
Bakterien (EM) gehören (Abbildung 1). Im vorangegangenen
Bericht 2008/2009 wurde gezeigt, wie sich durch die
intelligente Nutzung der Röntgenkristallographie detaillierte
Informationen über die Interaktionen zwischen mikrobiellen
Pathogenen und dem Wirtsorganismus auf atomarer Ebene
gewinnen lassen. Dank dieser Informationen ist es möglich,
neue Strategien und Werkzeuge zu entwickeln, die unsere
Erkenntnisse über bakterielle Infektionen erweitern. In diesem
Bericht wird auf die verwendete NMR-Spektroskopie als
Ergänzungstechnik und deren Einsatz für die Erforschung
biologisch aktiver Naturstoffe näher eingegangen.
Der Atomkern als Energiequelle Gegen Ende der vierziger
Jahre des 20. Jahrhunderts konnte nachgewiesen werden,
dass die Zellkerne bestimmter Atome elektromagnetische
Strahlung aus einem Magnetfeld absorbieren können. Dabei
hängt die Strahlungsfrequenz von der Stärke des Magnetfeldes,
dem beteiligten Atomkern und – was sehr wichtig
ist – vor allem von der speziellen chemischen Umgebung
des Atoms ab. Von den üblicherweise vorkommenden Atomen,
tritt diese Erscheinung nur bei 1 H, 13 C, 15 N und 31 P auf.
Daraus ergibt sich ein großes Potenzial für die Erforschung
von Strukturen organischer Verbindungen und damit
der meisten Naturstoffe. Die Entwicklung energiereicher,
stabiler Magnetfelder machte eine hochaufl ösende Darstellung
von Signalen möglich, die von ein und demselben
Atomkern stammten, der sich jedoch in unterschiedlichen