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BioSolids CryoProbe (生物固体低温探头)

无需样品改变即可提高灵敏度

虽然核磁共振应用极为广泛,但其固有的挑战是灵敏度有限。一种不需要改变样品就可以提高灵敏度的方法是低温冷却射频线圈和前置放大器电子元件。

由射频线圈,网络和一个前置放大器带来的热噪音水平降低带来信噪比提升3倍,且同时保持样品在其原始成分及其自然线宽。这个提升报告出自于第一台600 MHz 3.2 mm HCN 三共振CPMAS CryoProbe 获得的结果。

探头设计用于标准孔磁体,与成熟的CryoPlatform 兼容。 射频线圈和前置放大器电子器件的低温冷却, 与传统探头相比,灵敏度增益超过3。这是样品在室温下获得的增益。

使用3.2 mm 转子和MAS3 装置时,探头达到20 kHz 的MAS 速率。 CPMAS CryoProbe 可以在冷却状态下使用新型的探头升降器降低探头,便于安全更换转子。自动调谐和匹配增加了探头的舒适和安全的操作。

技术细节

  • 13C 和15N:优化的三共振NMR 探头
  • 增强13C 和15N 灵敏度三倍多
  • 加快数据采集速度,显著提高生产率
  • 在强质子去耦下,在13C 和15N 上同时照射
  • 非常适合研究低标记和天然丰度小分子的生物固体
  • 自动调谐、匹配和魔角调整和提升辅助样品交换
  • 样品温度范围:-20 °C ~ 60 °C
  • MAS 速率高达20 kHz,带专门设计的3.2 mm 转子
  • 标准腔设计,与SB 和WB 磁体兼容。

应用

BioSolids CryoProbe 允许在生理温度下研究具有挑战性的生物系统,并且不会改变其样品成分。

这一特征在结构生物学中极为重要,因为周围蛋白质的完整性和温度对于维持生物功能往往至关重要。

稀释样品,如原生环境中的标记蛋白或大型组件中的小分子,以及自然丰度或低标记水平的样品,从这种创新探头的灵敏度显著提升中获益匪浅。

在药理学环境中,此探头允许扩展 NMR 工具箱。2D 13C13C 相关实验可用于天然丰度活性药物成分的高级表征。其他应用领域包括药物多态性和药物输送系统

更快的数据采集

淀粉样原纤维和朊病毒

约96.7 毫克(u- 13C,15N)HET-s(218-289)朊病毒域, 由法国波尔多CNRS 的 A. Loquet 教授提供

由于灵敏度增强,波谱记录速度快一个数量级,只需一次扫描就可记录波谱图,而且信噪比和分辨率都很高。

更快的数据采集

淀粉样原纤维和朊病毒

约96.7 毫克(u- 13C,15N)HET-s(218-289)朊病毒域, 由法国波尔多CNRS 的 A. Loquet 教授提供

由于灵敏度增强,波谱记录速度快一个数量级,只需一次扫描就可记录波谱图,而且信噪比和分辨率都很高。

这可为多维实验的设置和获取节省大量时间。

增加一个维度

淀粉样原纤维和朊病毒

约96.7 毫克(u- 13C,15N)HET-s(218-289)朊病毒域, 由法国波尔多CNRS 的 A. Loquet 教授提供

借助BioSolids CryoProbe 提供的灵敏度,扫描次数可以大大减少。因此,多维实验变得更快。然后,可以以运行2D 实验的时间运行3D 实验。此外,由于采集时间过长而通常不执行的4D 实验也变得容易获得,需要不到一周的实验时间。

探索低灵敏度样品

大型生物组合体

~7.5 毫克 U - 13C,15N 标记Kif5b, 349 残留蛋白, 与微管复合总样本量 ~ 80毫克,由美国特拉瓦州T.Pollenova 教授提供。

由于灵敏度增强,更具挑战性的样品(更复杂的或较少的标记)成为研究人员研究的焦点。

我们记录了3D NCACX 和NCOCX 实验,样品为一个含有大约350 个残基的标记蛋白与未标记蛋白的复合物(总同位素标记物质的总量约为9%)。

这些实验分别持续了约5天和6天,证明了探头在所有射频通道上同时照射的多个步骤下积累数天的稳定性。

其原生环境中的生物样本

分岐杆菌够成的细胞包膜

~ 40 毫克13C,15N 标记的细胞壁, HEPES 50 mm pH 7.0, 由法国U.Grenoble 的J. p. simorre 教授提供

由于灵敏度的提高,研究人员可以直接用固态核磁共振研究细胞。

不稳定的样品往往会随着时间的推移而快速退化,这个探头对于不稳定的样品来说是一个游戏规则的改变者,关键在于能够在样品生成之后不久就采集所有数据。

天然产品天然丰度

木材和纤维素

来自波尔多葡萄酒木材,由法国波尔多CNRS 教授提供。

木材和其他富含纤维素的样品通常呈现出无定形和晶体材料的混合物,因此会出现大量信号和窄信号的混合物。在1D 13C 实验中区分不同的重叠波谱成分通常不容易。能够通过2D CC 相关实验提高分辨率有时是归属谱图信号的唯一可行方法。随着生物固体CryoProbe 灵敏度的提高,重聚INADEQUATE 成为常规工具。

天然产品 天然丰度

骨基质内的原生胶原蛋白

山羊股骨皮质骨(Capra hircus,2-3岁)。印度生物医学研究中心N.Sinha。

了解胶原蛋白在健康和疾病状态下的结构和功能行为,对于各种骨退行性疾病、组织工程和骨植入治疗的发展是一个里程碑。胶原蛋白的天然丰度光谱通常具有地灵敏度和有限的同位素浓度。

由于该探头的灵敏度增强,现在可以记录天然同位素丰度中胶原蛋白的高分辨率2D 1H-13C HETCOR 实验。在短时间和长时间接触时间下记录的光谱,阐明了在真实的自然环境中骨基质内胶原的短程和长程相互作用。通过这个探头,研究人员进一步了解骨基质中胶原蛋白的结构稳定性和功能机制。

活性药物成分的原位特征 

基于环糊精的金属有机框架(CD-MOFs)

CDMOF 颗粒装载了 约 20% Lansoprazole,由 C. Martinau-Corcos 教授、CEMHTI UPR CNRS 3079、ILV UMR CNRS 8180 和法国 IUF 提供。

给药基质通常是类似于海绵的多孔材料。金属有机框架 (CD-MOF) 就是很好的例子,因为它们是具有巨大空隙的材料。加入到MOFs 中的药物代表了一种稀释的自旋系统,在这种情况下,灵敏度的缺乏是原位表征活性成分的一个大问题。

值得注意的是,低温探头技术是迄今为止唯一允许探测此类样本中低 API 含量状态的工具。其他方法,如快速 MAS 1H NMR 或 DNP 已被证明不适合或用途有限,因为在用于DNP 样品制备的溶剂中CD-MOF 分辨率低且不稳定。

A:维生素B12 B:天然丰度维生素B12 的2D 13C-13C INADEQUATE。直接采样一次的扫描次数是1024次,共采样80次。总实验时间3天9小时。谱图使用协方差处理。

API 的高级表征

由于探头具有卓越的灵敏度,可以在无需使用同位素标记的情况下对API 进行高级表征。这一点可以用天然丰度下的维生素B12 的CC 双量子相关来说明。重聚INADEQUATE 具有众所周知的低灵敏度,在RT 探头上需要一个多月的采集时间。

甘氨酸的13C 谱图信噪比比较说明,与传统室温探头相比,在相同样品量的情况下增强系数超过3 倍。谱图显示魔法角度设置良好,1H 高功率去耦稳定。

基于CP 和双CP 的实验

CPMAS CryoProbe 是为结构生物学中的标准和高级的CP 实验开发的。

将高灵敏度与NUS 相结合可用于显著提高光谱分辨率或缩短实验时间。A:使用传统采样(~ 4h)方式采集的均匀标记fMLF 的CC 相关谱;B:相同的实验使用25% NUS 采样(~ 1h)。

将高灵敏度与NUS 相结合

新探头的高灵敏度与非均匀采样技术相结合,可显著缩短实验时间。CPMAS CryoProbe 可为灵敏度有限的样品加快10 倍的数据采集速度。

参考文献

1.NPM1 exhibits structural and dynamic heterogeneity upon phase separation with the p14ARF tumor suppressor
Eric Gibbs, Barbara Perrone, Alia Hassan, Rainer Kümmerle, Richard Kriwacki.
Journal of Magnetic Resonance, 2020, 310, 10646

2.Sensitivity Boosts by the CPMAS CryoProbe for Challenging Biological Assemblies
Alia Hassan, Caitlin M.Quinn, Jochem Struppe, Ivan V.Sergeyev, Chunting Zhang, Changmiao Guo, Brent Runge, Theint Theint, Hanh H.Dao, Christopher P. Jaroniec, Mélanie Berbon, Alons Lends, Birgit Habenstein, Antoine Loquet, Rainer Kuemmerle, Barbara Perrone, Angela Gronenborn, Tatyana Polenova.
Journal of Magnetic Resonance, 2020, 311, 106680

3.Efficient incorporation and protection of lansoprazole in cyclodextrin metal-organic frameworks
Xue Li, Marianna Porcino, Charlotte Martineau Corcos, Tao Guo, Ting Xiong, Weifen Zhu, Gilles Patriarch, Christine Péchoux, Barbara Perrone, Alia Hassan, Rainer Kümmerle, Alexandre Michelet, Anne Zehnacker-Rentien, Jiwen Zhang Ruxandra Gref.
International Journal of Pharmaceutics, 2020, 585, 119442

4.Probing short and long-range interactions in native collagen inside the bone matrix by BioSolids CryoProbe
Nidhi Tiwari, Sebastian Wegner, Alia Hassan,  Navneet Dwivedi, RamaNand Rai, and Neeraj Sinha.

Accepted in Magnetic Resonance in Chemistry

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