2016년 2월 23일
용해 동적 핵 분극(DNP)이 제공하는 감도 향상으로 NMR 및 MRI에 의해 실시간으로 대사 과정을 수행할 수 있습니다. 효소 반응 연구를 위해 설계된 전용 용출 DNP 설정의 특성과 성능에 대해 설명합니다.
이 실험의 전반적인 목표는 동적 핵 분극 강화 핵 자기 공명에 의해 효소 과정을 실시간으로 추적하는 것입니다. 동적 핵 분극, DNP에 의해 강화된 액체 상태의 자기 공명(magnetic resonance)은 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 이 분자 쌍을 어떤 식으로든 변경하지 않고 세포 또는 생체 내에서 한 쌍의 분자의 효소 변환 속도를 결정하는 방법. 우리 실험실에 용출 DNP 장비를 설치하고 로잔의 Arnaud Comment 실험실에서 박사 학위를 취득한 Dr.Riccardo Balzan이 이곳에 도착한 것은 우리 연구를 위한 큰 진전입니다.
DNP는 500메가헤르츠 NMR 분광계에서 수행할 수 있는 실험의 감도를 크게 향상시킵니다. 이 DNP 장비는 프랑스에 설치된 최초의 장비였으며 이 장비를 작동시키는 데 있어 NMR 팀의 모든 구성원이 참여했으며 특히 연구 엔지니어인 Gildas Bertho와 컨퍼런스 담당자인 Fatiha Kateb에 대해 언급하고 싶습니다. 이 기술의 주요 장점은 몇 초의 시간 분해능으로 기질과 그 내인성 유도체를 직접 실시간으로 정량화할 수 있다는 것입니다.
편광 용액의 경우, 탄소 13 관찰을 위해 탄소 13 관찰을 위해 2:1 부피의 중수소 물에 33 밀리몰의 TEMPO 라디칼이 도핑된 1.12 몰, 탄소 13 표지 피루브산 나트륨 용액 2 밀리리터를 준비합니다. 저온 유지 장치 소프트웨어 인터페이스의 냉각 버튼을 클릭하여 냉각 절차를 통해 동적 핵 분극 또는 DNP(Dynamic nuclear polarization) 저온 유지 온도 온도를 낮춥니다. 충진 절차를 통해 DNP 저온 유지 장치에서 액체 헬륨을 수집합니다.
저온 유지 장치 소프트웨어 인터페이스에서 주입 버튼을 클릭합니다. 그런 다음 최적화된 편광 용액 300마이크로리터를 DNP 편광판과 함께 제공된 샘플 용기에 넣습니다. 샘플 용기를 액체 질소 수조에 부드럽게 담가 샘플 내부와 함께 동결합니다.
냉동 절차 후 샘플 용기에 존재할 수 있는 액체 질소를 액체 질소 수조에서 샘플 용기를 추출하고 거꾸로 회전시켜 제거합니다. 다음으로, 먼저 샘플 홀더에 샘플 용기를 삽입하여 샘플을 저온 유지 장치에 삽입합니다. 그런 다음 마이크로파의 도파관을 시료 홀더에 삽입하기 전에 시료 홀더를 주 저온 유지 장치 삽입물에 넣습니다.
1 Kelvin 냉각 절차를 시작하여 저온 유지 장치 온도를 낮추십시오. 저온 유지 장치 소프트웨어 인터페이스에서 1 Kelvin 냉각 버튼을 클릭합니다. 마이크로파 소스를 켜고 저온 유지 장치 소프트웨어 인터페이스의 마이크로파 켜기 버튼을 클릭하여 샘플을 조사합니다.
커넥터를 시계 반대 방향으로 90도 회전하고 당겨 분광계 코일에서 NMR 콘솔 감지 채널의 동축 케이블을 분리합니다. 감지 채널의 동축 케이블을 저온 유지 장치 NMR 코일의 동축 커넥터에 꽂습니다. 그런 다음 방향 핀에 주의하면서 NMR 콘솔 케이블의 수 커넥터를 저온 유지 장치 NMR 코일의 암 커넥터에 삽입합니다.
커넥터를 세게 누르고 시계 방향으로 90도 돌립니다. t 간격으로 반복되는 t가 5분과 같은 간단한 펄스 획득 시퀀스를 사용하여 저온 유지 부위에서 고체 상태의 NMR 열 신호를 측정합니다. 측정을 설정한 후 소프트웨어의 명령줄에 zg를 작성하고 키보드에서 Enter 키를 누릅니다.
편광 절차를 시작한 후 열 신호 측정에 사용된 것과 동일한 절차 및 조건으로 고체 상태에서 DNP 강화 NMR 신호를 측정합니다. 커넥터를 시계 반대 방향으로 90도 회전하고 당겨 저온 유지 장치 NMR 코일에서 NMR 콘솔 감지 채널 동축 케이블을 분리합니다. 그런 다음 감지 채널의 동축 케이블을 분광계 코일의 동축 커넥터에 꽂습니다.
방향 핀에 주의하면서 NMR 콘솔 케이블의 수 커넥터를 분광계 코일의 암 커넥터에 삽입합니다. 커넥터를 세게 누르고 시계 방향으로 90도 돌립니다. 소 혈청 알부민 밀리리터당 20마이크로그램과 함께 반응 완충액에 밀리리터당 1단위의 토끼 근육 LDH 용액을 갓 준비합니다.
다음으로 478마이크로리터의 반응 완충액, 2마이크로리터의 LDH 용액 및 20마이크로리터의 중수소수를 혼합하여 분광계 전계 안정화 또는 잠금을 허용합니다. 그런 다음 500마이크로리터 용액 부피를 5mm NMR 튜브에 넣습니다. 이송 튜브를 자동화된 맞춤형 주입 장치에 연결하여 이송에 사용되는 헬륨 가스와 과분극 용액을 분리합니다.
이 장치는 500마이크로리터의 과분극 용액을 샘플 튜브에 자동으로 전달합니다. 용해하기 전에 500마이크로리터의 샘플이 들어 있는 5mm NMR 튜브를 11.74 테슬라 NMR 분광계의 등심원에 놓습니다. 용해 삽입 보일러에 5ml의 중수소수를 삽입합니다.
저온 유지 장치 소프트웨어 인터페이스에서 히터 준비 버튼을 클릭하여 섭씨 약 180-200도의 온도에 도달할 때까지 저항 와이어를 사용하여 중수소수를 가압하고 가열합니다. 저온 유지 장치 소프트웨어 인터페이스에서 SS Operations 버튼을 클릭합니다. 그런 다음 용해 인서트에서 전자레인지 가이드를 제거합니다.
용해 삽입물을 샘플 홀더에 밀어 넣습니다. 용출 인서트는 시료 홀더의 바닥에 닿아야 하며, 중수소화된 물이 저온 유지 장치로 누출되는 것을 방지하기 위해 시료 용기와 누출 방지 연결을 만들기 위해 단단히 눌러야 합니다. 하드웨어 트리거를 눌러 공압 밸브 작동의 미리 결정된 시간 순서인 용해 시퀀스를 시작합니다.
용해 직후, 주입 장치는 500마이크로리터의 과분극 용액을 NMR 분광계에 넣은 샘플과 혼합합니다. 용해 후, 분광계의 샘플에서 NMR 과분극 신호를 일련의 10도, 플립 각도 펄스 획득 시퀀스를 1.5초 간격으로 측정하여 기판과 제품의 자화 진행을 따릅니다. 측정을 설정한 후 소프트웨어의 명령줄에 zg를 작성하고 Enter 키를 누릅니다.
자화가 완전히 이완되면 약 3T1에 해당하는 약 3분 간격의 일련의 90도 플립 각도 펄스 획득 시퀀스로 NMR 열 신호를 측정합니다. 측정을 설정한 후 소프트웨어의 명령줄에 zg를 입력하고 Enter 키를 누릅니다. 여기서 반복되는 10도 플립 각도 펄스에서 얻은 스펙트럼의 시간 경과는 기술의 감도와 시간 분해능을 보여줍니다.
피루브산 기질과 젖산 산물의 피크 식별 후, 대사 산물의 신호 통합을 통해 정량화가 수행됩니다. 효소 활성은 선형 모델에 피팅하여 제품 신호 시간 코스에서 결정됩니다. 측정을 검증하기 위해 동일한 양이 제품과 기판의 신호 비율에서 초기 반응 속도로 평가됩니다.
일단 숙달되면 효소 활성의 완전한 측정이 적절하게 수행되면 약 2시간 내에 수행할 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 NMR용 고도로 편광된 기질을 생성하고, 효소가 포함된 용액에 주입하고, DNP 강화 NMR을 사용하여 효소 활성을 따르는 방법을 이해해야 합니다. 이 절차를 시도할 때는 새로운 효소와 공동 기질로 효소 용액을 조심스럽게 준비하고 샘플 튜브에 기포가 생기지 않도록 하는 것이 중요합니다.
액체 상태에서 DNP에 의하여 강화된 자기 공명의 발달로, 연구원은 지금 제품 대형의 속도를 측정해서 세포의 각종 유형 안쪽에 기질 흡수 그리고 그것의 효소 전이를 탐구할 수 있습니다. 극저온 장비와 높은 자기장으로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있다는 것을 잊지 마십시오. 극저온에 대한 개인 보호구를 착용하고 이러한 측정을 수행하는 동안 자성 물체가 없는지 확인하는 것과 같은 예방 조치를 항상 취해야 합니다.
고전적인 NMR과 달리 용출 DNP 기반 NMR은 기판과 현재 생명 상태에 따라 최대 몇 분의 실험 시간 창으로 제한됩니다. 이것은 하나의 D 분광법을 넘어서는 데 방해가 됩니다. 용해 DNP NMR은 고전적인 다차원 NMR의 다용성 수준으로 끌어올리기 위해 개발이 필요합니다.
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이 연구는 핵자기공명(NMR) 및 자기공명영상(MRI)의 감도를 향상시키기 위해 용해 동적 핵자기편극(DNP)의 구현을 논의합니다. 관련 분자를 변경하지 않고 효소 반응을 실시간으로 모니터링하는 데 초점을 맞추고 있습니다.
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.