In 1984, the first de novo protein structure in solution was solved using NMR in Kurt Wuethrich’s group. Resolved chemical shift is an essential prerequisite for structure determination. In solid state, observation of the isotropic chemical shift, however, is hindered by large anisotropic interactions such as dipole-dipole interactions and chemical shift anisotropy. High-resolution Solid-State NMR spectra were not possible until the invention of Magic Angle Spinning (MAS) in 1958. The first de novo structure of a protein in solid state was published in 2008. There is still no generally accepted protocol to obtain long-range distance restraints due to dipolar truncation. Solid-state NMR is still going through drastic hardware and method development. In this thesis, I pursued two aims. First, I present a quantitative study of sensitivity and resolution in proton-detected experiments under MAS in the frequency range 10-110 kHz. Using experiments and simulations, we found that for selectively methyl protonated protein samples a MAS rotation frequency beyond 300 kHz is needed for maximal intensity. It is far beyond the previous estimated limits (100-200 kHz) for completely protonated sample. Second, I present a novel scheme to determine order parameters under conditions of off-magic angle spinning. Conventionally, order parameter determination relies on residual dipolar couplings. For dynamic residues, methods become insensitive since dipolar couplings are averaged by motion. Under off-magic angle condition, on the contrary, only mobile residues can be detected with good sensitivity and resolution, thus leading to a more accurate fitting result. This thesis is constituted with seven chapters. Chapter 1 and 2 present a brief introduction to the principle of NMR and Solid-State NMR (SSNMR). Chapter 3 lists the development of SSNMR in biosolids application. Challenges and future trends in methods are also discussed. Chapter 4 introduces experiments, which will be mainly used for studies in this thesis. Chapter 5 describes the quantitative study of MAS dependent spectra sensitivity and resolution. Spectra of samples with different proton densities are compared. In chapter 6, an estimation of the MAS frequency that is necessary to achieve maximum sensitivity is given. Chapter 7 discusses Off-Magic-Angle (OMA) methods for order parameter determination.     «

In 1984, the first de novo protein structure in solution was solved using NMR in Kurt Wuethrich’s group. Resolved chemical shift is an essential prerequisite for structure determination. In solid state, observation of the isotropic chemical shift, however, is hindered by large anisotropic interactions such as dipole-dipole interactions and chemical shift anisotropy. High-resolution Solid-State NMR spectra were not possible until the invention of Magic Angle Spinning (MAS) in 1958. The first de n...     »

1984 gelang der Arbeitsgruppe von Kurt Wüthrich die erste de novo Proteinstrukturbestimmung mit NMR-Spektroskopie. Eine wesentliche Voraussetzung für solche Strukturbestimmungen sind gut aufgelöste chemische Verschiebungen. In Festkörpern wird dies jedoch erschwert, da zur isotropen chemischen Verschiebung noch große anisotrope Beiträge hinzukommen. Dazu zählen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und chemische Verschiebungsanisotropie. Hochauflösende Festkörper-NMR-Spektroskopie war daher nicht möglich bis zur Erfindung von magic angle spinning (MAS) im Jahr 1958. Die erste de novo Strukturbestimmung eines Proteins mit MAS-Festkörper-NMR-Spektroskopie wurde 2008 publiziert. Noch immer fehlen allgemein anwendbare Experimente, um lange Abstände in Proteinen zu messen und den Einfluss dipolarer Trunkierung dabei zu minimieren. Damit einhergehend ist die Festkörper-NMR-Spektroskopie immer noch geprägt von bedeutenden Weiterentwicklungen in Bezug auf Hardware und Methoden. In dieser Arbeit wurden zwei Ziele verfolgt: Zum einen präsentiere ich eine quantitative Analyse von Empfindlichkeit und Auflösung Proton-detektierter Experimente abhängig von der MAS-Frequenz. Der untersuchte Bereich umfasst die Spanne von 10 bis 110 kHz. Mit einer Kombination aus Experimenten und Simulationen konnten wir zeigen, dass bei selektiv protonierten Methylgruppen die maximale Empfindlichkeit erst oberhalb von 300 kHz erreicht werden kann. Das ist weit jenseits der Grenze von 100 bis 200 kHz, die bislang für vollständig protonierte Proben vermutet wurde. Als zweites Ergebnis dieser Arbeit stelle ich ein neues Verfahren vor, um order Parameter bei einer Rotation abseits des magischen Winkels zu messen. Üblicherweise werden residuale dipolare Kopplungen verwendet, um Order Parameter zu ermitteln. Dies führt zu Problemen bei dynamischen Resten, da dipolare Kopplungen durch Bewegung gemittelt werden. Abseits des magischen Winkels können hingegen dynamische Reste mit besserer Auflösung und Empfindlichkeit beobachtet werden. Somit können die Order Parameter für solche Reste präziser bestimmt werden. Diese Dissertation besteht aus sieben Kapiteln. In den Kapiteln 1 und 2 wird eine kurze Einführung in die Prinzipien von NMR-Spektroskopie im Allgemeinen und Festkörper-NMR-Spektroskopie im Speziellen gegeben. In Kapitel 3 findet sich eine Darstellung der wichtigsten Entwicklungen der Festkörper-NMR-Spektroskopie für Biomoleküle. Außerdem werden Herausforderungen und zukünftige Trends bei der Methodik diskutiert. In Kapitel vier werden die zentralen Experimente für diese Arbeit vorgestellt. Kapitel 5 ist den quantitativen Untersuchungen zu Empfindlichkeit und Auflösung als Funktion der Rotationsfrequenz gewidmet. Es werden auch Proben mit unterschiedlich hohen Protonierungsgraden analysiert. In Kapitel 6 wird behandelt, wie hoch die Rotationsfrequenz um den magischen Winkel sein müsste, um maximale Empfindlichkeit zu erreichen. Das Thema von Kapitel 7 ist die Messung von Order Parametern abseits des magischen Winkels.      «

1984 gelang der Arbeitsgruppe von Kurt Wüthrich die erste de novo Proteinstrukturbestimmung mit NMR-Spektroskopie. Eine wesentliche Voraussetzung für solche Strukturbestimmungen sind gut aufgelöste chemische Verschiebungen. In Festkörpern wird dies jedoch erschwert, da zur isotropen chemischen Verschiebung noch große anisotrope Beiträge hinzukommen. Dazu zählen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und chemische Verschiebungsanisotropie. Hochauflösende Festkörper-NMR-Spektroskopie war daher nicht möglich...     »