2016年2月23日
溶解動的核分極(DNP)による感度向上により、NMRやMRIによる代謝過程をリアルタイムで追跡することができます。研究用酵素反応用に設計された専用の溶解DNPセットアップの特性と性能について説明します。
この実験の全体的な目標は、動的核分極強化核磁気共鳴によって酵素プロセスをリアルタイムで追跡することです。動的核分極(DNP)によって増強された液体状態での磁気共鳴は、重要な質問に答えるのに役立ちます:たとえば、この分子のペアをまったく変更することなく、細胞内または生体内の分子ペアの酵素変換速度を決定する方法。当研究室に溶解DNP装置が設置されたこと、そしてローザンヌのアルノー・コメント研究所の博士号を持つリカルド・バルザン博士が来日したことは、当研究室の研究にとって大きな前進です。
DNPは、500メガヘルツNMR分光計で実行できる実験の感度を大幅に向上させます。このDNP装置はフランスで初めて設置された装置で、この装置を機能させるためには、NMRチームのすべてのメンバーが関与しており、特に研究エンジニアのGildas Bertho氏と会議担当のFatiha Kateb氏に言及したいと思います。この手法の主な利点は、基質とその内因性誘導体を数秒の時間分解能で直接、リアルタイムで定量できることです。
分極溶液については、炭素13の観察のために、重水素化水の2対1の体積に33ミリモルのTEMPOラジカルをドープした1.12モルの炭素13標識ピルビン酸ナトリウム溶液を調製します。クライオスタットソフトウェアインターフェースのクールダウンボタンをクリックして、クールダウン手順を通じて動的核分極(DNP)クライオスタットの温度を下げます。充填手順により、DNPクライオスタットに液体ヘリウムを回収します。
クライオスタットソフトウェアインターフェースの充填ボタンをクリックします。次に、最適化された分極液300マイクロリットルをDNP偏光子に付属のサンプル容器に入れます。サンプルが入った状態でサンプル容器を液体窒素浴に静かに浸して凍結します。
凍結手順の後、サンプル容器内に存在する可能性のある液体窒素を、液体窒素浴からサンプル容器を抽出し、逆さまに回転させることにより除去します。次に、まずサンプル容器をサンプルホルダーに挿入して、サンプルをクライオスタットに挿入します。次に、マイクロ波のウェーブガイドをサンプルホルダーに挿入する前に、サンプルホルダーをメインのクライオスタットインサートに置きます。
1つのケルビン冷却手順を開始して、クライオスタットの温度を下げます。クライオスタットソフトウェアインターフェースの1つのケルビン冷却ボタンをクリックします。マイクロ波源をオンにし、クライオスタットソフトウェアインターフェースのマイクロ波オンボタンをクリックしてサンプルを照射します。
NMRコンソール検出チャンネルの同軸ケーブルを分光器コイルから外し、コネクタを反時計回りに90度回転させて引っ張ります。検出チャンネルの同軸ケーブルをクライオスタットNMRコイルの同軸コネクタに差し込みます。次に、NMRコンソールケーブルのオスコネクタをクライオスタットNMRコイルのメスコネクタに挿入し、オリエンテーションピンに注意します。
コネクタをしっかりと押して、時計回りに90度回転させます。クライオスタット部位の固体状態でのNMR熱信号を、未校正の低フリップ角パルスを5分間隔で繰り返す単純なパルス取得シーケンスを用いて測定します。測定を設定したら、ソフトウェアのコマンドラインにzgと入力し、キーボードのEnterキーを押します。
分極手順を開始した後、熱信号測定に使用したのと同じ手順と条件で、固体状態でDNP増強NMR信号を測定します。コネクタを反時計回りに90度回転させて引っ張ることにより、NMRコンソール検出チャネル同軸ケーブルをクライオスタットNMRコイルから外します。次に、検出チャネルの同軸ケーブルを分光計コイルの同軸コネクタに差し込みます。
NMRコンソールケーブルのオスコネクタを分光器コイルのメスコネクタに挿入し、オリエンテーションピンに注意してください。コネクタをしっかりと押して、時計回りに90度回転させます。ウサギの筋肉LDH溶液を1ミリリットルあたり1単位、20マイクログラム/ミリリットルのウシ血清アルブミンを含む反応緩衝液に新たに調製します。
次に、478マイクロリットルの反応バッファー、2マイクロリットルのLDH溶液、および20マイクロリットルの重水素化水を混合して、分光計のフィールド安定化またはロックを可能にします。次に、500マイクロリットルの溶液を5mmのNMRチューブに入れます。トランスファーチューブを自動化されたカスタムメイドの注入装置に接続し、トランスファーに使用するヘリウムガスから過分極溶液を分離します。
この装置は、500マイクロリットルの過分極溶液をサンプルチューブに自動的に供給します。溶解する前に、500マイクロリットルのサンプルが入った5mmNMRチューブを11.74テスラNMR分光計のアイソセンターに入れます。溶解インサートボイラーに5ミリリットルの重水素化水を挿入します。
クライオスタットソフトウェアインターフェースの「Prepare heater」ボタンをクリックして、抵抗線を使用して重水素化水を加圧および加熱し、約180〜200°Cの温度に達します。クライオスタットソフトウェアインターフェースのSS Operationsボタンをクリックします。次に、マイクロ波ガイドを溶解インサートから取り外します。
溶出インサートをスライドさせてサンプルホルダーに入れます。溶解インサートはサンプルホルダーの底に到達し、重水素化水がクライオスタットに漏れないように、サンプル容器と漏れないようにしっかりと押す必要があります。ハードウェアトリガーを押すと、空圧バルブ操作の所定のタイミングシーケンスである溶解シーケンスが開始されます。
溶解直後に、注入装置は500マイクロリットルの超分極溶液をNMR分光計に入れたサンプルと混合します。溶解後、分光器内のサンプルからのNMR超分極信号を、基板と製品の磁化の進行を追跡するために、1.5秒間隔で一連の10度のフリップ角度パルス取得シーケンスで測定します。測定を設定したら、ソフトウェアのコマンドラインにzgと入力してEnterキーを押します。
磁化が完全に緩和されたら、約3T1に対応する約3分間の間隔を空けた一連の90度のフリップ角度パルス取得シーケンスによってNMR熱信号を測定します。測定を設定したら、ソフトウェアのコマンドラインにzgと入力し、Enterキーを押します。ここでは、10度のフリップ角度パルスの繰り返しから得られるスペクトルの時間経過が、この手法の感度と時間分解能を示しています。
ピルビン酸基質と乳酸産物のピーク同定に続いて、代謝物のシグナル統合を通じて定量を行います。酵素活性は、線形モデルでフィッティングすることにより、製品信号の時間経過から決定されます。測定を検証するために、製品と基板の信号の比率から、同じ量が初期反応速度によって評価されます。
一度習得すると、適切に実行されれば、酵素活性の完全な測定を約2時間で行うことができます。このビデオを見れば、NMR用の高分極基質を作製し、それを酵素を含む溶液に注入し、DNP増強NMRを用いて酵素活性を追跡する方法を理解できるはずです。この手順を試みるときは、新鮮な酵素と共基質を使用して酵素溶液を慎重に調製し、サンプルチューブ内の気泡を避けることが重要です。
液体状態でのDNP増強磁気共鳴の開発により、研究者は、生成物の形成速度を測定することにより、さまざまな種類の細胞内での基質の取り込みとその酵素的変換を調査できるようになりました。極低温機器や高磁場での作業は非常に危険であることを忘れないでください。これらの測定を行う際には、極低温物質に対する個人用保護具の着用や磁性物体の不在の確認などの予防措置を常に講じる必要があります。
従来のNMRとは異なり、溶解DNPベースのNMRは、基質や現在の生命状態にもよりますが、最大で数分の実験時間枠に制限されます。これは、1つのD分光法を超えることを妨げています。溶解DNP NMRは、従来の多次元NMRの汎用性レベルにまで到達するための開発が必要です。
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この研究は、核磁気共鳴(NMR)と磁気共鳴画像法(MRI)の感度を向上させるための溶解ダイナミック核磁気共鳴分極(DNP)の実施について議論しています。焦点は、関与する分子を変更せずに酵素プロセスをリアルタイムでモニタリングすることです。
Dissolution DNP-enhanced NMR enables real-time quantification of enzymatic reaction rates without molecular modification, addressing a critical sensitivity bottleneck in metabolic studies. This capability supports target validation by providing direct, quantitative readouts of substrate-to-product conversion in physiologically relevant systems. The method improves predictive confidence in early discovery by allowing kinetic assessment of enzyme activity under near-native conditions.
The method fits within the discovery continuum by enabling real-time enzymatic rate measurement after target identification and before lead optimization, supporting data-driven progression.