アプリケーションノート - 磁気共鳴

ブルカーユーザーライブラリーの新登録：高速でより高感度な生体分子のTOCSYおよびNOESYのNMR実験ファミリー

TOCSYおよびNOESYは、同種核NMR相関実験の基盤となっています。しかし、これらの分極移動法は感度が低いという弱点があり、特に緩和が速いプロトンや交換速度の速い不安定なプロトンを含む系では、その欠点が顕著に現れます。

TOCSYおよびNOESYは、同種核NMR相関実験の基盤となっています。しかし、これらの分極移動法は感度が低いという弱点があり、特に緩和が速いプロトンや交換速度の速い不安定なプロトンを含む系では、その欠点が顕著に現れます。我々は最近，Looped PROjected SpectroscopY（L-PROSY）を導入しました ¹。これは、緩和と交換を実際に利用して、NOESYおよびTOCSYで観測されるアミド基、ヒドロキシル基、アミン基のクロスピークの感度を向上する手法です。

このライブラリーでは、周波数選択的な飽和あるいはループ反転手順に基づき、単位時間当たりの感度をさらに向上させる一連の実験を紹介しています ²。スペクトルのシグナルが分離して観測され、異なる周波数固有の「チャンネル」（ピーク）に個別に適応できる場合には、従来法あるいはL-PROSYに比べて、非常に高速（積算回数が少ない）かつ高感度（一回積算当たり）な実験が可能となります。

実験は磁化移動（magnetization-transfer, MT）現象に基づいています。図1Aおよび1Bにシーケンスを示します。これらの実験では、交換可能な（あるいは高速で緩和する）プロトンは、長い単色の飽和パルス（Selective MT - SMT：同じスピンプール内での相関）またはHadamardでエンコードする方法に従った反転パルス列（Hadamard MT - HMT：スペクトル的に異なるスピンプール間の相関）によって順次処理されます³。 CESTのように、溶媒からの補充で交換性プロトンの飽和度が拡大⁴するMTプロセスでは、結果として得られる同種核のクロスピークが大幅に増強しますが、選択的照射の手法では、通常の2D実験の数分の1の時間で増強することができます。

このライブラリーでは、WaveMakerを用いた波形パルス実験のセットアップをサポートするユーザーフレンドリーなパルスプログラムを提供します。SMTでは選択的な励起とリフォーカス、HMTでは水のフリップバックが可能であり、いずれも水溶液中での積算の繰り返し時間を短くすることができます。

この方法は一般的なものであり、低分子、多糖類、RNA、タンパク質系の交換速度や緩和時間の速いプロトンをターゲットにすることができます。図1Cおよび1Dは、5_SL5B+C、SARS-CoV-2 RNA断片のイミノプロトン領域を示しています。SMTバージョンは、イミノプロトン間に観測されるNOESY相関を増強するために使用され、HMTバージョンは、イミノプロトンとRNAの他のプロトンとの間の空間的な原子間の距離情報を提供し、さらに多重化を考慮できる利点があります（注：スピンダイナミクスが機能しないため、プロトンの同じプールで相関を確立するためにはHMTではなくSMTを使用してください）。これらの実験は通常の磁場でも実施可能ですが、ピークの分離が良く（Hadamardエンコードに重要）、T1緩和時間が長い（相関のMTを強化するのに重要）超高磁場での実験が有効であることに注意してください。

Figure 1. A) Pulse sequence for Selective MT experiment (SMT) designed to provide fast imino-imino NOESY correlations by utilizing long sequential saturation pulses for encoding and selective spin echo for detection allowing very short inter-scan delays (0.3 – 0.5 s). B) Pulse sequence for Hadamard MT experiment (HMT) designed to provide fast imino correlations with the rest of the protons in RNA, exploiting looped inversion pulses and Watergate 3919 water suppression scheme. C) SMT imino correlations of 5_SL5B+C RNA fragment of SARS-CoV-2 providing imino sequential walk acquired in ~80 minutes. D) HMT spectrum showing (black) and (red) after application of 15N MQ filter in Watergate 3919 water-suppression block. Each HMT correlation was acquired in 40 minutes; for comparison a single conventional JR NOESY would have required >24 hs to provide these correlations with similar sensitivity. Data were acquired at 1 GHz using an AvanceNEO equipped with TCI cryoprobe, as part of the COVID-NMR effort.

これらの概念は、高速再分極部位を個別に扱うことができる他のNMR環境にも適用することができます。例えば、常磁性システムのプロトンや、化学交換の代わりに高速分極共有（ASAP）によって再分極が起こる低分子などがあります⁵。ここで紹介した2Dの概念は、異種核を含む3D相関にも含めることができ、これを実装したMTベースのパルスシーケンスがまもなくリリースされる予定です。

Mihajlo Novakovic¹, Ēriks Kupče², Harald Schwalbe³ and Lucio Frydman¹

¹Department of Chemical and Biological Physics, Weizmann Institute of Science, 7610001 Rehovot, Israel

²Bruker UK Ltd., Banner Lane, Coventry, UK

³Institute for Organic Chemistry and Chemical Biology, Center for Biomolecular Magnetic Resonance, Johann Wolfgang Goethe-University, D-60438 Frankfurt/Main, Germany

References

参考文献

Novakovic, M.; Cousin, S. F.; Jaroszewicz, M. J.; Rosenzweig, R.; Frydman, L. Journal of Magnetic Resonance 2018, 294, 169.
Novakovic, M.; Kupče, Ē.; Oxenfarth, A.; Battistel, M. D.; Darón, I.; Schwalbe, H.; Frydman, L. arXiv: 2004.13063
Kupče, E.; Nishida, T.; Freeman, R. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 2003, 42 (3–4), 95.
Van Zijl, P. C. M., & Yadav, N. N. Magnetic Resonance in Medicine, 2011, 65(4), 927.
Kupče, E.; Freeman, R. Magnetic Resonance in Chemistry 2007, 45 (1), 2.

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References

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