[論文レビュー] Quantitative cw Overhauser DNP Analysis of Hydration Dynamics

John M. Franck, Ànna Pavlova+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2012

Electron Spin Resonance Studies参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、独立してクロスリラクシビリティ（$k_{\sigma}$）とセルフリラクシビリティ（$k_{\rho}$）を決定することにより、局所的な水の翻訳拡散係数をスピンプローブの近傍で正確に測定する洗練された定量的 cw Overhauser DNP 法を提示する。この手法により、100 µM未塔のスピンプローブ濃度においても信頼性のある結合因子（$\xi = k_{\sigma}/k_{\rho}$）の抽出が可能となり、マイクロ波加熱効果を補正し、以前の不一致を解消した。4-ヒドロキシ-TEMPO の結合因子は 0.33–0.35 であり、cw ODNP がバイオ分子系における水和動態を定量的に分析するための有効なツールであることを裏付けた。

ABSTRACT

Liquid state Overhauser Effect Dynamic Nuclear Polarization (ODNP) has experienced a recent resurgence of interest. In particular, a new manifestation of the ODNP measurement measures the translational mobility of water within 5-10 Å of an ESR-active spin probe (i.e. the local translational diffusivity D_{local} near an electron spin resonance active molecule). Such spin probes, typically stable nitroxide radicals, have been attached to the surface or interior of macromolecules, including proteins, polymers, and membrane vesicles. Despite the unique specificity of this measurement, it requires only a standard X-band (~10 GHz) continuous wave (cw) electron spin resonance (ESR) spectrometer, coupled with a standard nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer. Here, we present a set of developments and corrections that allow us to improve the accuracy of quantitative ODNP and apply it to samples more than two orders of magnitude lower than were previously feasible.

研究の動機と目的

• 自由に溶解したニトロキシドプローブにおける報告済みのOverhauser DNP結合因子の不一致を解消すること。特に低濃度での不一致に焦点を当てる。
• 低濃度のスピンプローブにおいて、マイクロ波によるサンプル加熱が原因で従来のODNPモデルが破綻することを解消すること。
• 100 µM未塔の濃度で、正確に結合因子 $\xi$ を抽出できる定量的 cw ODNP 法を開発することにより、バイオ分子研究への応用範囲を拡大すること。
• cw ODNP が適切に補正されれば、パルスESR や FCR 法と同等の正確な水和動態データを提供できるかどうかを検証すること。

提案手法

• 信号増幅の電力依存性（$E(p)$）から、クロスリラクシビリティ（$k_{\sigma}$）を抽出するため、濃度依存の $E(p)$ 曲線を測定する。
• 高濃度での独立した測定により、マイクロ波加熱の影響が小さいセルフリラクシビリティ（$k_{\rho}$）を決定する。
• サンプル温度の代理指標として $T_{1,0}^{-1}$ をモニタリングし、$E(p)$ データをマイクロ波加熱の影響から補正する。
• 比 $\xi = k_{\sigma}/k_{\rho}$ を用いて、スピンプローブ周辺の水の局所的翻訳拡散係数を定量化する。
• システム固有の加熱と電力要件を評価するため、$p_{1/2}$ と $T_{1,0}$ を用いた標準化テストを実施する。
• 冷却装置による反復的温度補正を実装し、電力レベルを問わず $T_{1,0}$ を一定に保つことで、熱的安定性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低濃度のサンプルにおいて、高電力域でのODNP増幅が漸近的飽和から逸脱する原因は何であり、どのように補正可能か？
• RQ2 cw ODNP 設備のみを用いて、スピンプローブ濃度が100 µM未塔の範囲で結合因子 $\xi$ を正確に決定できるか？
• RQ3 4-ヒドロキシ-TEMPO の水中における結合因子について、過去の報告値がなぜ広範にばらついているのか、そして正しい値は何か？
• RQ4 マイクロ波加熱が、低濃度領域における従来のODNPモデルをどの程度無効にしているか？
• RQ5 cw ODNP だけを用いても、パルスESR や FCR 法と同等の定量的水和動態データを提供できるか？

主な発見

• 4-ヒドロキシ-TEMPO の水中における結合因子 $\xi$ は 0.33–0.35 であると確認され、以前の報告値 0.22 との不一致が解消された。
• 高濃度での $E_{\text{max}}$ を $E(p)$ 曲線から外挿した結果、従来の報告値よりも顕著に高いことが判明し、過去の過小評価が示された。
• 本手法により、数十マイクロモルの濃度まで $\xi$ の正確な決定が可能となり、cw ODNP の生物学的関連システムへの応用範囲が拡大された。
• 観測された $\xi$ 値は、パルスESR、FCR、および分子動力学シミュレーションの結果と一致し、本手法の妥当性が裏付けられた。
• マイクロ波加熱は、増幅が電力に対して線形に増加する原因となり、低濃度領域では従来モデルを無効にする。この影響は $T_{1,0}$ のモニタリングにより定量的に補正された。
• $T_{1,0}$ と $p_{1/2}$ を診断パrameterとして標準化することで、異なる機器や研究室間でも再現性があり定量的な水和動態測定が可能になった。