Wielowymiarowe widma nmr nowe koncepcje i perspektywy
Sponsored Links
This presentation is the property of its rightful owner.
1 / 87

Wielowymiarowe widma NMR – nowe koncepcje i perspektywy PowerPoint PPT Presentation


  • 80 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Wielowymiarowe widma NMR – nowe koncepcje i perspektywy. Wiktor Koźmiński Wydział Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Zastosowania wielowymiarowego NMR. chemia : 2D NMR rutynowe pomiary : COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, itd . b iomolekuły 2D , 3D, 4D

Download Presentation

Wielowymiarowe widma NMR – nowe koncepcje i perspektywy

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Wielowymiarowe widma NMR – nowe koncepcje i perspektywy

Wiktor Koźmiński

Wydział Chemii Uniwersytetu Warszawskiego


Zastosowania wielowymiarowego NMR

  • chemia: 2D NMR

    rutynowe pomiary : COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, itd.

  • biomolekuły 2D, 3D, 4D

    dobrze zdefiniowane wąskie zakresy spektralne

  • widma wielowymiarowe (2D, 3D) są też coraz bardziej popularne w badaniach fazy stałej

  • MRI – te same metody (2D, 3D), ale próbkowanie przestrzeni odwrotnejgradientami B0


Co dają widma wielowymiarowe?

  • poprawa separacji sygnałów

  • poprawa czułości przy pośredniej detekcji jąder o niskim g

  • identyfikacja jąder wzajemnie oddziałujących

    • problem podstawowy: przypisanie sygnałów odpowiednim atomom

  • pośredni pomiar widm wielokwantowych

  • obrazowanie (MRI)


jednowymiarowe widmo NMR białka


widmo dwuwymiarowe


i trójwymiarowe

HNCACB


t N

t i

exc

mix i

N–1

Problemy rosną z liczbą wymiarów czyli :

  • ograniczenia związane z próbką

    (nieistotne w większości przypadków)

    - stężenie, g, B0, T, własności relaksacyjne

  • i próbkowaniem (metodologiczne)

    • liczba punktów (ewolucji w wymiarach pośrednich) szybko rośnie z liczbą wymiarów

    • rozdzielczość jest proporcjonalna do maksymalnego czasu ewolucji (teoremat Nyquista)

      N – wymiarowy eksperyment :

W przypadku MRI zmiana amplitudy PFG zamiast czasu

Dlanipunktów w wymiarze i : n1n2 .... nN-12N-1 pomiarów 1D


… i oczekiwaną rozdzielczością

  • rozdzielczość jest ograniczona przez maksymalny osiągnięty czas ewolucji (tak naprawdę fazę f= wt)

  • maksymalny odstęp między punktami pomiarowymi – Df ≤ p(teoremat Nyquista)


próbkowanie

aliasing

t-1

t

identyczne kopie widma

Ograniczenie czasu pomiaru

poszerzenie

Splot sygnału NMR z funkcją próbkowania i ograniczeniem czasu ewolucji


W praktyce 2D:

  • liczba pomiarów 1D

    n2D= (t1max  sw1 + 1)  2

    przykład (500 MHz)

    t1max=0.05 s, sw1=3.5 kHz (1H 7ppm) lub 20 kHz (13C 160 ppm)

    rozdzielczość 20 Hz

    n2D= 352 (1H) lub 2002 (13C)

    czas pomiaru (2 akumulacje po 2 s):

    24’ (1H) lub 2 h 13’ (13C)


i 3D

  • liczba pomiarów 1D

    n2D= (t1max  sw1 + 1) (t2max  sw2 + 1)  4

    przykład (500 MHz)

    t1max=t2max=0.05 s, sw1=3.5 kHz (1H) sw2= 20 kHz (13C)

    rozdzielczość 20  20 Hz

    n3D= 2818816

    czas pomiaru (2 akumulacje po 2 s): ~4 miesiące


wpływ indukcji B0

  • wraz z wielkością B0 rośnie czułość:

    S/N~B01.5

  • ale zakresy spektralne także rosną z proporcjonalnie do B0

  • przykład: 500 MHz  700 MHz

    aby uzyskać tę samą rozdzielczość w :

    widmach 2D czas pomiaru wzrośnie o 40% (7/5)

    widmach 3D dwukrotnie (7/5)2


wpływ indukcji B0

  • wraz z wielkością B0 rośnie czułość:

    S/N~B01.5

  • ale zakresy spektralne także rosną z proporcjonalnie do B0

  • przykład: 500 MHz 700 MHz

    aby uzyskać tę samą rozdzielczość w :

    widmach 2D czas pomiaru wzrośnie o 40% (7/5)

    widmach 3D dwukrotnie (7/5)2


wpływ indukcji B0

  • wraz z wielkością B0 rośnie czułość:

    S/N~B01.5

  • ale zakresy spektralne także rosną z proporcjonalnie do B0

  • przykład: 500 MHz 700 MHz

    aby uzyskać tę samą rozdzielczość w :

    widmach 2D czas pomiaru wzrośnie o 40% (7/5)

    widmach 3D dwukrotnie (7/5)2


Widma o zredukowanej wymiarowości ND  2D (próbkowanie radialne) zawodzi przy dużej liczbie sygnałów

Koźmiński & Zhukov, Kim & Szyperski

Rekonstrukcja z projekcji (też próbkowanie radialne)

Kupče & Freeman

Kodowanie przestrzenne – pomiary jednoprzebiegowe (EPI)

Frydman et al.

Spektroskopia kowariancyjna (naprawdę korelacyjna)

Brüschweiler

Metody niefourierowskie (MEM, MDD)

Billeter, Orekhov, Hoch

Wielowymiarowa transformata Fouriera (dowolne próbkowanie)

nasza grupa

Jak obejść problem próbkowania?

czyli metody spektroskopii projekcyjnej

oraz:


Widma o zredukowanej wymiarowości ND  2D (próbkowanie radialne) zawodzi przy dużej liczbie sygnałów

Koźmiński & Zhukov, Kim & Szyperski

Rekonstrukcja z projekcji (też próbkowanie radialne)

Kupče & Freeman

Kodowanie przestrzenne – pomiary jednoprzebiegowe (EPI)

Frydman et al.

Spektroskopia kowariancyjna (naprawdę korelacyjna)

Brüschweiler

Metody niefourierowskie (MEM, MDD)

Billeter, Orekhov, Hoch

Wielowymiarowa transformata Fouriera (dowolne próbkowanie)

nasza grupa

Jak obejść problem próbkowania?

czyli metody spektroskopii projekcyjnej

oraz:


spektroskopia NMR a obrazowanie

  • w przypadku spektroskopowym częstości w widmach NMR wynikają z różnych oddziaływań chmury elektronowej z jednorodnym polem B0, oraz wartości współczynników żyromagnetycznych g dla różnych jąder.

  • w eksperymencie obrazowania częstości rezonansowe różnicuje się geometrycznie zmieniając przestrzenny rozkład indukcji magnetycznej. w(x,y,z)=g(B0+xGx+yGy+zGz)

  • w spektroskopii konieczne jest przeniesienie koherencji pomiędzy jądrami (tego samego rodzaju – homojądrowe lub różnych rodzajów - heterojądrowe) np. CP, INEPT itd. W poszczególnych wymiarach obserwuje się rożne częstości dla tych samych cząsteczek.

  • w obrazowaniu ten efekt uzyskuje się przełączając kierunek gradientu indukcji B0.


spektroskopia NMR a obrazowanie

  • w przypadku spektroskopowym zróżnicowanie częstości w widmach NMR wynika z różnych oddziaływań chmury elektronowej z jednorodnym polem B0, oraz wartości współczynników żyromagnetycznych g dla różnych jąder.

  • w eksperymencie obrazowania częstości rezonansowe różnicuje się geometrycznie zmieniając przestrzenny rozkład indukcji magnetycznej. w(x,y,z)=g(B0+xGx+yGy+zGz)

  • w spektroskopii konieczne jest przeniesienie koherencji pomiędzy jądrami (tego samego rodzaju – homojądrowe lub różnych rodzajów - heterojądrowe) np. CP, INEPT itd. W poszczególnych wymiarach obserwuje się rożne częstości dla tych samych cząsteczek.

  • w obrazowaniu ten efekt uzyskuje się przełączając kierunek gradientu indukcji B0.


spektroskopia NMR a obrazowanie

  • w przypadku spektroskopowym częstości w widmach NMR wynikają z różnych oddziaływań chmury elektronowej z jednorodnym polem B0, oraz wartości współczynników żyromagnetycznych g dla różnych jąder.

  • w eksperymencie obrazowania częstości rezonansowe różnicuje się geometrycznie zmieniając przestrzenny rozkład indukcji magnetycznej. w(x,y,z)=g(B0+xGx+yGy+zGz)

  • w spektroskopii konieczne jest przeniesienie koherencji pomiędzy jądrami (tego samego rodzaju – homojądrowe lub różnych rodzajów - heterojądrowe) np. CP, INEPT itd. W poszczególnych wymiarach obserwuje się rożne częstości dla tych samych cząsteczek.

  • w obrazowaniu ten efekt uzyskuje się przełączając kierunek gradientu indukcji B0.


spektroskopia NMR a obrazowanie

  • w przypadku spektroskopowym częstości w widmach NMR wynikają z różnych oddziaływań chmury elektronowej z jednorodnym polem B0, oraz wartości współczynników żyromagnetycznych g dla różnych jąder.

  • w eksperymencie obrazowania częstości rezonansowe różnicuje się geometrycznie zmieniając przestrzenny rozkład indukcji magnetycznej. w(x,y,z)=g(B0+xGx+yGy+zGz)

  • w spektroskopii konieczne jest przeniesienie koherencji pomiędzy jądrami (tego samego rodzaju – homojądrowe lub różnych rodzajów - heterojądrowe) np. CP, INEPT itd. W poszczególnych wymiarach obserwuje się rożne częstości dla tych samych cząsteczek.

  • w obrazowaniu taki efekt uzyskuje się przełączając kierunek gradientu indukcji B0.


spektroskopia NMR a obrazowanie

  • w widmach NMR informacja jest rozproszona i zawarta w sygnałach

     im więcej wymiarów tym sygnały są rzadsze

     można otrzymać pełną informację z małej ilości danych

  • w obrazowaniu istotne jest wszystko

     jest znacznie trudniej stosować metody przyspieszania pomiaru


Accordion spectroscopy i przesunięcia chemiczne:Próbkowanie radialne t1 i t2 w widmie trójwymiarowym

  • Pomiar punktów wzdłuż promienia r pod kątem j

    t2=r cos(j), t1=r sin(j)

  • Po jednowymiarowej transformacie Fouriera względem r uzyskuje się widmo z kombinacją liniową częstości :

  • wr= cos(j) w2 + sin(j) w1

  • Niezbędne wyznaczenie znaków częstości

  • Analiza bezpośrednia – obliczanie częstości  „Reduced Dimesionality”

  • Widmo próbkowane wzdłuż promienia jest rzutem widma trójwymiarowego na płaszczyznę nachyloną pod kątem j rekonstrukcja z projekcji


Widma o zredukowanej wymiarowości – czyli rekonstrukcja z pojedynczej projekcji

  • Dla każdego sygnału trzeba rozwiązać układ równań liniowych, tj. trzeba zbadać różne kombinacje znaków częstości:

    wr=  cos(j) w2 sin(j) w1

  • Zawodzi gdy liczba sygnałów jest zbyt duża np. dla wielowymiarowych eksperymentów NOE dla biomolekuł  potrzebna jest metoda pozwalająca odtworzyć widmo o wysokiej wymiarowości


Prosty przykład

4D → 2D HACANH

j1= x/y, j2= x/y,(G1,y)/(-G1,-y)

Koźmiński & Zhukov, J. Biomol. NMR, 26, 157 (2003)


HACANH

+++

+––

+–+

++–


Rekonstrukcja z projekcji

  • częstości w widmach 2D z próbkowaniem czasu wzdłuż r pod kątemj :

  • w2 cos(j) + w1 sin(j)

    Efekt:

  • projekcjawidma 3D na płaszczyznę nachyloną pod kątemj.

  • konieczne jest wyznaczenie znaków wszystkich częstości

  • oryginalny pomysł - obrazowanie:

  • Lauterbur, Nature, 242, 190 (1973)


Rekonstrukcja z projekcjiKupče & Freeman, J. Biomol. NMR, 27, 383 (2003)

F3 (1H)

  • jeśliczęstości F3nie są zdegenerowane wystarczą dwie płaszczyzny :

  • F1F3i F2F3

F2 (15N)

F1 (13C)


Rekonstrukcja z projekcjiKupče & Freeman, J. Biomol. NMR, 27, 383 (2003)

F3 (1H)

  • jeśliczęstości F3nie są zdegenerowane wystarczą dwie płaszczyzny :

  • F1F3i F2F3

F2 (15N)

F1 (13C)

  • F1F3 t2 =0j= 0o


F3 (1H)

F2 (15N)

F1 (13C)

Rekonstrukcja z projekcjiKupče & Freeman, J. Biomol. NMR, 27, 383 (2003)

  • jeśliczęstości F3nie są zdegenerowane wystarczą dwie płaszczyzny :

  • F1F3i F2F3

  • w praktyce potrzeba wiele

  • otrzymuje się prawdziwe widmo trójwymiarowe

  • F1F3 t2 =0j= 0o

  • F2F3t1 =0j= 90o


  • F3 (1H)

    j

    F2 (15N)

    F1 (13C)

    kolejne projekcje pomagają usunąć niejednoznaczności


    Kupče & Freeman, J. Biomol. NMR, 27, 383 (2003)13C,15N-ubikwityna

    rekonstrukcjakonwencjonalne

    dwie płaszczyzny

    F3 (1H) =7.28 ppm

    F3 (1H) =8.31 ppm

    trzy płaszczyzny

    F3 (1H) =8.77 ppm


    rekonstrukcja

    • zaleta : „prawdziwe” widma wielowymiarowe

    • wady:

      • artefakty, które mogą tworzyć fałszywe sygnały

      • zafałszowane kształty sygnałów

      • zafałszowane stosunki intensywności

    • wiele różnych podejść (deterministycznych i statystycznych) do rekonstrukcji widm

    • jak dotąd żadna nie jest całkowicie wolna od wad i ogólna


    Transformacja Fouriera- najlepsza estymata sygnałów okresowych

    Podejście konwencjonalne sekwencyjna jednowymiarowa FT:

    • punkty przestrzeni czasu w rzędach i kolumnach

    • algorytm FFT


    Problem:

    • teoremat Nyquista:

      Δt<1/sw

    • rozdzielczość:

      Δn1/at

    • dla danego czasu pomiaru konieczny kompromis między zakresami częstości a rozdzielczością

    • czas pomiaru rośnie w postępie geometrycznym z liczbą wymiarów


    Aliasing

    przez równoodległe punkty można przeprowadzić więcej niż jedną sinusoidę

    but only one fits to randomly distributed points


    Aliasing

    przez równoodległe punkty można przeprowadzić więcej niż jedną sinusoidę

    ale tylko jedna pasuje gdy punkty rozłożone są losowo


    Aliasing

    przez równoodległe punkty można przeprowadzić więcej niż jedną sinusoidę

    ale tylko jedna pasuje gdy punkty rozłożone są losowo

    Wciąż obserwuje się aliasing powodowany zaokrąglaniem losowych współrzędnych czasu i/lub wielkością kroku zegara spektrometru.

    Jest to jednak nie znaczące –

    n.p. 12.5 ns cykl zegara daje MHz okno spektralne wolne od aliasingu.


    FT i aliasing

    próbkowaniepróbkowanie

    konwencjonalnelosowe

    64 punkty

    128 punktów

    256 punktów

    512 punktów

    tmax=1s

    1024 punkty


    FT i aliasing

    próbkowaniepróbkowanie

    konwencjonalnelosowe

    64 punkty

    128 punktów

    256 punktów

    512 punktów

    tmax=1s

    1024 punkty


    próbkowanie losowe 2D - symulacja

    • próbkowanie losowebrak aliasingu!

    • można osiągnąć większe czasu ewolucji (i poprawić rozdzielczość) bez przedłużania eksperymentu!


    jak to osiągnąć:

    • wielowymiarowa transformacja Fouriera w jednym kroku:

    • przemienna algebraClifforda:

      etc.


    400 MHz 3D HNCA ubikwityny 512 punktówKazimierczuk, Zawadzka, Koźmiński, Zhukov J Biomol NMR,36, 157 (2006)

    konwencjonalne

    losowe

    w3(1H) = 8.10 ppm

    w3(1H) = 8.74 ppm


    Rezultat:

    brak aliasingu

    szerokość linii zdeterminowana relaksacją poprzeczną

    brak dodatkowych parametrów

    artefakty – o amplitudzie proporcjonalnej do pierwiastka kwadratowego z liczby punktów


    schematy próbkowania

    • widmo 3D HNCACB dla różnych rozkładów


    • stosunek sygnałów do artefaktów (S/A) nie zależy od gestości próbkowania i wymiarowości eksperymentu

    • S/A jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z liczby punktów

    • można mierzyć widma o dowolnie wysokiej wymiarowości z rozdzielczością ograniczoną jedynie procesami relaksacyjnymi


    Poziom artefaktów nie zależy od gęstości próbkowaniaK. Kazimierczuk, A. Zawadzka, W. Koźmiński, J. Magn. Reson. 197, 219-228 (2009)

    symulacje 1D - 250 punktów

    różny czas pomiaru – stały poziom artefaktów

    tmax=4s, Q=3.12

    tmax=8s, Q=1.56

    tmax=16s, Q=0.78

    tmax=32s, Q=0.39

    tmax=1 month, Q=4.8 x 10-6

    tmax=1 year, Q=3.97 x 10-7


    Poziom artefaktów nie zależy od gęstości próbkowaniaK. Kazimierczuk, A. Zawadzka, W. Koźmiński, J. Magn. Reson. 197, 219-228 (2009)

    symulacje 1D - 250 punktów

    różny czas pomiaru – stały poziom artefaktów

    tmax=4s, Q=3.12

    tmax=8s, Q=1.56

    tmax=16s, Q=0.78

    tmax=32s, Q=0.39

    tmax=1 month, Q=4.8 x 10-6

    tmax=1 year, Q=3.97 x 10-7


    Poziom artefaktów nie zależy od gęstości próbkowaniaK. Kazimierczuk, A. Zawadzka, W. Koźmiński, J. Magn. Reson. 197, 219-228 (2009)

    symulacje 1D - 250 punktów

    różny czas pomiaru – stały poziom artefaktów

    tmax=4s, Q=3.12

    tmax=8s, Q=1.56

    tmax=16s, Q=0.78

    tmax=32s, Q=0.39

    tmax=1 month, Q=4.8 x 10-6

    tmax=1 year, Q=3.97 x 10-7


    Poziom artefaktów nie zależy od gęstości próbkowaniaK. Kazimierczuk, A. Zawadzka, W. Koźmiński, J. Magn. Reson. 197, 219-228 (2009)

    symulacje 1D - 250 punktów

    różny czas pomiaru – stały poziom artefaktów

    tmax=4s, Q=3.12

    tmax=8s, Q=1.56

    tmax=16s, Q=0.78

    tmax=32s, Q=0.39

    tmax=1 month, Q=4.8 x 10-6

    tmax=1 year, Q=3.97 x 10-7


    Poziom artefaktów nie zależy od gęstości próbkowaniaK. Kazimierczuk, A. Zawadzka, W. Koźmiński, J. Magn. Reson. 197, 219-228 (2009)

    symulacje 1D - 250 punktów

    różny czas pomiaru – stały poziom artefaktów

    tmax=4s, Q=3.12

    tmax=8s, Q=1.56

    tmax=16s, Q=0.78

    tmax=32s, Q=0.39

    tmax=1 miesiąc, Q=4.8 x 10-6

    tmax=1 year, Q=3.97 x 10-7


    Poziom artefaktów nie zależy od gęstości próbkowaniaK. Kazimierczuk, A. Zawadzka, W. Koźmiński, J. Magn. Reson. 197, 219-228 (2009)

    symulacje 1D - 250 punktów

    różny czas pomiaru – stały poziom artefaktów

    tmax=4s, Q=3.12

    tmax=8s, Q=1.56

    tmax=16s, Q=0.78

    tmax=32s, Q=0.39

    tmax=1 miesiąc, Q=4.8 x 10-6

    tmax=1 rok, Q=3.97 x 10-7


    poziom artefaktów nie zależy od wymiarowości

    Q=0.013

    Q=0.54

    Q=0.97

    Q=33.3

    Q=59.52


    transformacja oszczędnościowa SMFT

    • wysoka wymiarowość i rozdzielczość

      • problem wielkości plików

    • 3D – dziesiątki GB - możliwe

    • 4D – do TB, łatwe w przyszłości

    • 5D, 6D – PB (peta bajty) lub więcej

    • rozwiązanie: widma NMR są raczej puste, obliczajmy tylko te miejsca w których są sygnały!


    transformacja oszczędnościowa SMFT

    • wysoka wymiarowość i rozdzielczość

      • problem wielkości plików

    • 3D – dziesiątki GB - możliwe

    • 4D – do TB, łatwe w przyszłości

    • 5D, 6D – PB (peta bajty) lub więcej

    • rozwiązanie: widma NMR są raczej puste, obliczajmy tylko te miejsca w których są sygnały!


    transformacja oszczędnościowa SMFT

    • wysoka wymiarowość i rozdzielczość

      • problem wielkości plików

    • 3D – dziesiątki GB - możliwe

    • 4D – do TB - łatwe w przyszłości

    • 5D, 6D – PB (peta bajty) lub więcej

    • rozwiązanie: widma NMR są raczej puste, obliczajmy tylko te miejsca w których są sygnały!


    transformacja oszczędnościowa SMFT

    • wysoka wymiarowość i rozdzielczość

      • problem wielkości plików

    • 3D – dziesiątki GB - możliwe

    • 4D – do TB - łatwe w przyszłości

    • 5D, 6D – PB (peta bajty) lub więcej

    • rozwiązanie: widma NMR są raczej puste, obliczajmy tylko te miejsca w których są sygnały!


    transformacja oszczędnościowa SMFT

    • wysoka wymiarowość i rozdzielczość

      • problem wielkości plików

    • 3D – dziesiątki GB - możliwe

    • 4D – do TB - łatwe w przyszłości

    • 5D, 6D – PB (peta bajty) lub więcej

    • rozwiązanie: widma NMR są raczej puste, obliczajmy tylko te miejsca w których są sygnały!


    w2

    C

    A

    B

    C

    D

    E

    D

    B

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    E

    A

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    w3

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    w

    1

    Sparse MFT


    w2

    C

    A

    B

    C

    D

    E

    D

    B

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    E

    A

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    w3

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    w

    1

    Sparse MFT


    w2

    C

    A

    B

    C

    D

    E

    D

    B

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    E

    A

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    w3

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    w

    1

    Sparse MFT


    w2

    C

    A

    B

    C

    D

    E

    D

    B

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    E

    A

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    w3

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    w

    1

    Sparse MFT


    w2

    C

    A

    B

    C

    D

    E

    D

    B

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    E

    A

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    w3

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    w

    1

    Sparse MFT


    w2

    C

    A

    B

    C

    D

    E

    D

    B

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    E

    A

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    w3

    N

    C

    C H

    N

    C

    C H

    N

    C

    H

    O

    R

    H

    O

    R

    H

    O

    w

    1

    Sparse MFT


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO CsPIN protein (92 aa)

    G21C-E22N-H

    L30-K31N-H

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 1800t1/t2/t3 punktów

    • 0.65% eksperymentu konwencjonalnego

    • 20godzin pomiaru

    E22C-A23N-H

    R29C-L30N-H

    A23-L24N-H

    E28C-R29N-H

    Cb

    H

    O

    N

    L24C-A25N-H

    Q27-E28N-H

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V26C-Q27N-H

    A25C-V26N-H


    4D HNCACO 0.5 mM Maltose Binding Protein (MBP) (370 residues)

    700 MHz RT HCN probe

    D180-V181

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 6700 t1/t2/t3 punktów

    • 5.5 % eksperymentu konwencjonalnego

    • 83 godzin pomiaru

    V181-G182

    G182-V183

    Cb

    H

    O

    N

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    V183-D184

    H

    O

    Cb

    D184-N185


    4D HNCACO 0.5 mM Maltose Binding Protein (MBP) (370 residues)

    700 MHz RT HCN probe

    D180-V181

    • przekroje CA-CO dla parN-HN

    • 6700 t1/t2/t3 punktów

    • 5.5 % eksperymentu konwencjonalnego

    • 83 godzin pomiaru

    V181-G182

    G182-V183

    Cb

    H

    O

    N

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    V183-D184

    H

    O

    Cb

    D184-N185


    4D HN(CA)NH CsPIN protein (92 aa)

    Cb

    H

    O

    N

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    N

    • przekroje N-HN

    • każda para N-HN skorelowana jest z jednostką poprzednią i następną

    • 1800 t1/t2/t3 punktów

    • 0.49% eksperymentu konwencjonalnego

    • 22godzin pomiaru

    H

    O

    Cb

    H

    E22N-H

    A23N-H

    L24N-H

    A25N-H

    V26N-H

    K31N-H

    L30N-H

    R29N-H

    E28N-H

    Q27N-H


    4D HN(CA)NH CsPIN protein (92 aa)

    Cb

    H

    O

    N

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    N

    H

    O

    Cb

    H

    • przekroje N-HN

    • każda para N-HN skorelowana jest z jednostką poprzednią i następną

    • 1800 t1/t2/t3 punktów

    • 0.49% eksperymentu konwencjonalnego

    • 22godzin pomiaru

    E22N-H

    A23N-H

    L24N-H

    A25N-H

    V26N-H

    K31N-H

    L30N-H

    R29N-H

    E28N-H

    Q27N-H


    5D

    • HCCCONH-TOCSY ubikwityna

    • przekroje H-C dla każdej trójki: Ni+1-HNi+1-COi)

    • 2000 t1/t2/t3/t4 punktów

    • 0.005% czasu konwencjonalnego

    • 61 godzin pomiaru

    H

    C

    H

    Cb

    H

    O

    H

    N

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb


    • HCCCACONH-TOCSYCsPIN (92 residues)

    • przekroje H-C (dla: Ni+1-HNi+1-COi-CAi)

    • 1650t1/t2/t3/t4/t5punktów

    • 0.0066% eksperymentu konwencjonalnego

    • 114 godzin pomiaru

    6D

    K41

    L24

    H

    C

    H

    Cb

    H

    O

    H

    N

    Ca

    C

    N

    C

    Ca

    H

    O

    Cb

    V77

    G54


    pomiar sprzężeń

    • HNCO {Ca}

    • 6 sprzężeń dla jednego sygnału w układzie E.COSY

    • 4900punktów t1/t2

    • 2.6%gęstości konwencjonalej

    • 31 godzinpomiaru

    conventional random

    Kazimierczuk K, Zawadzka A, Koźmiński W, Zhukov I

    J. Am. Chem. Soc.130 (2008) 5404-5405


    HNCO - {Ca}

    6 sprzężeń w jednym sygnale


    trójwymiarowe eksperymenty dla cząsteczek organicznych

    • wymagające z powodu dużych zakresów spektralnych, nie praktyczne metodami konwencjonalnymi

    • zazwyczaj spore stężenia i brak problemów relaksacyjnych

    • naturalna zawartość izotopów 13C i 15N


    500 MHz 3D COSY- HMBC 10 mM strychninyM. Misiak, W. Koźmiński, Magn. Res. Chem., 45, 171 (2007)

    F3 (1H) = 3.90 ppm, częstotliwość F3 dlaH16

    konwencjonalnie

    losowo

    czas pomiaru 7 godzin

    720 punktów t1/t2

    próbkowanie konwencjonalne:

    maksymalnet1it2:

    odpowiednio 5.65 ms i 1.76 ms,

    próbkowanie losowe :

    maksymalnet1it2:

    20 ms i 5 ms


    3D HSQC-TOCSY do pomiarów stałych sprzężenia M. Misiak, W. Koźmiński, Magn. Res. Chem., 47, 205-209 (2009).

    1000 t1/t2punktówts

    t1 max = 20 ms

    t2max = 5 ms

    7.5% eksperymentu konwencjonalnego

    F2 (13C) = 50.3 ppm, (C-18)

    F2 (13C) = 42.4ppm, (C-11)

    F2 (13C) = 31.4 ppm, (C-14)


    pakiet „BioPack” - Varian

    Sparse (Orekhov) NLS Sampling

    Expicit (Kozminski) NLS Sampling

    Automatic Spectral Copmression

    Linear (Normal) Sampling

    Idle


    Podsumowanie

    • losowe próbkowanie i wielowymiarowa transformacja Fouriera umożliwia pomiar wielowymiarowych widm NMR z maksymalną możliwą rozdzielczością.

    • raczej ”dokładny” niż ”szybki” NMR

    • zachowuje względne intensywności sygnałów

      • możliwe zastosowanie do widm NOESY

    • zastosowania:

      • nowe techniki [przypisywania sygnałów

      • precyzyjne pomiary sprzężeń

      • częściowo niezwinięte białka


    Grupa:

    Krzysztof Kazimierczuk

    Maria Misiak

    Jan Stanek

    Anna Zawadzka

    Polish Ministry of Science and Higher Education

    Grant No.: N301 07131/2159

    software available : nmr700.chem.uw.edu.pl

    Enhancing Access and Services to East European users Towards an efficient and coordinated Pan-European pool of NMR capacities to enable global collaborative research & boost technological advancements (Proj. 228461)

    www.eastnmr.eu

    We provide Transnational Access to liquid state 700 MHz spectrometer


  • Login