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NMR - der Film

06.03.2003 - (idw) Weizmann Institut

Zehn Arbeiter erledigen eine Aufgabe meist schneller erledigen als nur einer. Besteht jedoch zum Beispiel die Aufgabe darin, einen tiefen, schmalen Brunnen zu graben, dann sind zehn Arbeiter eine Verschwendung menschlicher Arbeitskraft. Es kann immer nur einer graben und jeder von ihnen verbringt die meiste Zeit untätig, bis er an der Reihe ist.

Ein ähnliches Problem stellt sich Wissenschaftlern, die Struktur und Dynamik von Molekülen mit NMR (Magnetische Resonanzspektroskopie) untersuchen. NMR ist ein essentielles Werkzeug zum Verständnis zahlreicher Moleküle, wie Proteine, Nukleinsäuren und aktive Pharmazeutika, in ihrer natürlichen Umgebung. Dabei werden die untersuchten Moleküle elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt und die Verteilung der Muster elektromagnetischer Wellen, die auf die Moleküle treffen, gemessen. Um ein vollständiges NMR-Bild von komplexen Molekülen zu erhalten, muss man zahlreiche Messungen durchführen, die demselben "seriellen" Prinzip folgen wie die Arbeiter beim Graben eines Brunnens. Hunderte oder Tausende eindimensionaler Abtastvorgänge müssen nacheinander durchgeführt werden. Die abgetasteten Daten müssen dann kombiniert werden, um ein einheitliches, mehrdimensionales Bild von dem Molekül zu erhalten. Während ein einziger Abtastvorgang nur einige Sekundenbruchteile dauert, können die Messungen für mehrdimensionale Bilder mehrere Stunden oder sogar Tage dauern.

Ein Team unter der Leitung von Prof. Lucio Frydman von der Abteilung Chemische Physik des Weizmann Instituts, fand eine neue Möglichkeit, multidimensionale NMR mit einem einzigen Abtastvorgang durchzuführen. Man geht davon aus, dass die neue Methode, die in der Dezemberausgabe der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS) beschrieben wird, die molekularen Untersuchungen in den verschiedensten Forschungsfeldern erheblich beschleunigen wird.

Die Methode "schneidet" eine Probe in zahlreiche dünne "Scheibchen" und führt dann alle zu einer multidimensionalen NMR notwendigen Messungen jeder Scheibe innerhalb von Sekundenbruchteilen durch. Das System integriert dann alle Messungen aus den Lageangaben der Probenteile und setzt ein Bild zusammen, das als multidimensionales Spektrum der gesamten Probe bezeichnet werden kann.

Überträgt man die Methode auf das Beispiel vom Brunnenschacht, hat Frydman einen Weg gefunden, alle NMR-"Arbeiter" gleichzeitig "graben" zu lassen.

Wissenschaftler werden nun in der Lage sein, schnelle Veränderungen an Molekülen, wie bei der Proteineinfaltung, zu beobachten. In diesem Sinn ist die neue von Frydman entwickelte Methode ein Sprung vom NMR-Foto zum NMR-Film.

Frydmans Methode könnte auch große Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Medikamente oder von Katalysatoren - besonders in den neuen Forschungsbereichen wie kombinatorische Chemie und Metabonomics - haben.
Beiträge zu dieser Forschung stammten von Dr. Adonis Lupulescu von der Abteilung Chemische Physik und Dr. Tali Scherf von der Abteilung chemische Dienste des Weizmann Instituts.

Prof. Lucio Frydmans Forschung wird von der Abraham-und-Sonia-Rochlin-Stiftung, dem Henri-Gutwirth-Forschungsfonds, dem Philip-M.-Klutznick-Fonds, Frau Ilse Katz, Schweiz, und der Minerva Stiftung unterstützt.
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