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Wirkstoffradio: Moleküle untersuchen mit NMR-Spektroskopie

Was kann man mit Kernspinresonanz machen und wie werden solche Geräte betrieben?
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Bernd und André haben Dr. Peter Schmieder am Leibniz-Forschungsinstitut für molekulare Pharmakologie (FMP) in Berlin-Buch besucht, einem Ortsteil von Berlin, in dem es einiges an Forschung gibt.

Peter ist Gruppenleiter für Lösungs-NMR-Spektroskopie und er leitet die Core-Facility, die für alle NMR-Spektrometer am FMP verantwortlich ist. Wobei NMR für die Abkürzung nuclear magnetic resonance steht, was übersetzt Kernspinresonanz bedeutet. Er hat Chemie in Frankfurt am Main studiert und schließlich auch seine Doktorarbeit geschrieben, bei Prof. Horst Kessler, der dort an NMR-Spektren von Peptiden gearbeitet hat. Peter fängt zunächst an die Spektroskopie genauer zu erklären, bevor wir zur Kernspinresonanz kommen.

Die Spektroskopie ist eine physikalische Methode, die Strahlung nach bestimmten Eigenschaften zerlegt und analysiert, und sie wird in sehr vielen Forschungskontexten eingesetzt. Peter klärt uns über die Wortherkunft auf: Einmal lateinisch »Spektrum«, das »Geist« bedeutet und griechisch »skopein«, das »beobachten« bedeutet.

»In der Spektroskopie, egal in welchem Bereich, schaut man sich Geistererscheinungen von Molekülen an.«(Dr. Peter Schmieder)

Moleküle sind zu klein , um sie mit einem Mikroskop beobachten zu können; also benötigt man andere Methoden, um etwas über sie zu erfahren, und das ist häufig die Spektroskopie. Im Fall der NMR-Spektroskopie werden Mikrowellen beziehungsweise Radiowellen benutzt – zwei Worte um ein und das selbe zu beschreiben. Von der Frequenz her findet die NMR-Spektroskopie im UKW-Bereich statt. Die Radiowellen wechselwirken mit den einzelnen Atomen in einem Molekül, allerdings ist dieser Effekt sehr schwach. Um effektiv Spektroskopie machen zu können, muss sich das Molekül in einem starken Magnetfeld befinden.

André fragt, wie man sich ein solches NMR-Spektrum vorstellen muss – seine erste Assoziation wäre ein Sternen-Spektrum gewesen, wenn er an Spektroskopie denkt.

Peter erklärt, dass ein NMR-Spektrum im Prinzip auch ein Bild ist. NMR-Spektren drehen sich immer um die Frequenzen, die von einer Probe aufgenommen werden. Kein Molekül nimmt beliebige Frequenzen auf, sondern immer nur sehr spezielle, und diese Frequenzen sind charakteristisch für das Molekül. Und das Spektrum ist ein Graph, bei dem die Frequenzen auf der Querachse aufgetragen werden und die entsprechenden Intensitäten auf der Hochachse. Aus der Verteilung in der Frequenz kann man Rückschlüsse auf das Molekül selbst ziehen und aus den Intensitäten bekommt man Informationen darüber, welche Atome wie oft in einem Molekül vertreten sind.

Bernd fragt, was denn genau gemessen wird beim NMR, und Peter liefert uns ein anschauliches Bild des Kernspins: Ein Kreisel mit einem Stabmagnet in der Mitte. Bringen wir diesen Stabmagnet-Kreisl in ein starkes Magnetfeld, versucht sich der Stabmagnet am Magnetfeld auszurichten. Da er aber in einem Kreisel steckt, führt das zu einer Torkelbewegung, die man Präzession nennt. Wie schnell diese Torkelbewegung ist, hängt von vielen Dingen ab: Von der Stärke des Stabmagneten im Kreisel (das wäre dann in diesem Bild der Kernspin), von der Stärke des äußeren Magnetfelds und von der Abschirmung durch andere Kreisel in der Nähe (das wäre die chemische Umgebung). Mit einem NMR-Spektrum kann man also die Atomart der einzelnen Bausteine eines Moleküls bestimmen, also Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff usw. und an welcher Position sich die einzelnen Atome in einem Molekül befinden, da man etwas über die Abschirmung erfährt (siehe »chemische Umgebung«, oben). Bei kleinen Molekülen kann man so tatsächlich die Struktur aufklären, beispielsweise bei Naturstoffen (siehe Folge WSR003 vom Naturstoff zum Wirkstoff). Denn bei den kleinen Molekülen kann man über die Wechselwirkungen der einzelnen Atome auch Rückschlüsse über die einzelnen Bindungen gewinnen. Größere Moleküle, wie beispielsweise Proteine, die tausende Atome beinhalten, zeigen NMR-Spektren, die leider viel zu komplex sind, um Rückschlüsse auf einzelne Bindungen zu ziehen. Für solche größeren Moleküle benötigt man Vorwissen über die Struktur des Moleküls, um ein NMR-Spektrum interpretieren zu können.

Links zu angesprochenen Stichworten:

Peter ordnet die Molekülgrößen ein – was also für einen NMR-Spektroskopiker »Klein« und »groß« bedeutet. Es kommt dabei nämlich nicht unbedingt auf die Größe an, sondern vor allem auch auf die Wechselwirkungen innerhalb des Moleküls und die Form. Besonders bei Proteinen spielt die Proteinfaltung eine große Rolle.

Für Chemiker*innen stellt die NMR-Spektroskopie eine Standard-Methode dar, denn damit kann bei der Synthese von Molekülen jeder einzelne Schritt kontrolliert werden, ob im Kolben wirklich das passiert ist, was geplant gewesen ist.

Wir kommen zum Aufbau eines NMR-Spektrometers. Peter erklärt, dass es zwar auch NMR-Tischgeräte gibt, aber dass die Spektrometer, die hochaufgelöste Spektren aufnehmen, relativ groß sind. Um dieses »relativ groß« verstehen zu können, erklärt Peter zunächst etwas zu den Magnetfeldern. Die Feldstärken, die man für die NMR-Spektroskopie benötigt sind ungefähr 100.000 bis 300.000 mal so stark wie das Erdmagnetfeld. Es gibt bei den NMR-Menschen den »flockigen« Spruch, dass die Büroklammern senkrecht in der Schublade stehen, und das tun die Büroklammern tatsächlich, wie man weiter unten auch in einem Video sehen kann.

Für so starke Magnetfelder, die bis zu 300.000 mal stärker sind als das Erdmagnetfeld, benötigt man supraleitende Magneten. Das bedeutet: es handelt sich um Elektromagneten, und die Spulen haben keinen elektrischen Widerstand mehr, wenn die Spulen heruntergekühlt sind. Dann können sie mit Strom »befüllt« werden, und halten ihr Magnetfeld ohne eine Stromverbindung nach außen. Für die Kühlung, um die Supraleitung zu erhalten, muss der Magnet besonders aufgebaut sein, und zwar wie eine Thermoskanne. Darin befindet sich die Spule und flüssiges Helium, dass eine Temperatur von 4 Kelvin hat (entspricht ungefähr -269°C). Da flüssiges Helium recht teuer ist, befindet sich der Helium-gekühlte Teil in einem weiteren Bad aus flüssigem Stickstoff, der deutlich günstiger ist, aber auch leider nicht so kalt, ungefähr 77 Kelvein (entspricht ungefähr -196°C). Der flüssige Stickstoff ist nur dafür da, um die Verluste beim Helium durch Wärme von außen zu verringern, mit flüssigem Stickstoff alleine würde man noch keine Supraleitung erreichen. Dementsprechend ist ein NMR-Spektrometer meistens so groß wie ein Schrank, mit ein paar zusätzlichen kleineren Schränken für die Messung der Radiowellen. Übrigens werden die selben Magneten auch bei Kernspintomographen verwendet, nur steht die »Röhre« für die Probe bei einem NMR-Spektrometer senkrecht – die zu untersuchende Substanz wird also von oben eingeführt.

Der Platzanspruch für NMR-Spektrometer ist deutlich größer als der für ein paar Schränke, da man einen Sicherheitsbereich benötigt, denn die Magnetfelder sind sehr stark. So stark, dass man schwer verletzt werden kann, sollte man sich zwischen dem Magneten und einem Stück Eisen befinden. Daher stehen die NMR-Spektrometer in einem Sicherheitsbereich, den man nicht einfach so betreten darf, schon gar nicht, wenn man noch seinen Schlüssel in der Tasche hat.

© André Lampe
Eine Büroklammer vor einem NMR-Spektrometer

Wir sprechen dann mit Peter über die Magnetfeld-Stärken und wie man genau die Mikrowellen/Radiowellen misst und wie man schließlich ein Spektrum erhält. Links zu angesprochenen Stichworten:

Peter verrät uns dabei auch, dass sie gerade ein NMR-Spektrometer bestellt haben, das ein Magnetfeld von 28 Tesla haben soll. Nach seinen eigenen Worten: »Die Firma ist zuversichtlich, dass sie das hinbekommen und verkaufen diese Magneten natürlich auch schon, aber ob es danach überhaupt noch die Möglichkeit geben wird, noch stärke Magneten zu bekommen, das weiß niemand.«

André bittet Peter mal Vergleiche zu anderen , supraleitenden Magneten zu ziehen, wie sie zum Beispiel bei den großen Teilchenbeschleunigern am CERN oder am DESY verwendet werden. Wir führen die Vergleiche von Peter mal in einer kurzen Liste auf:

  • Magnete in Fusionreaktoren: bis zu 7 Tesla (z. B. Wendelstein 7-X oder ITER)
  • Ganzkörper Kernspintomograph: ca. 7 Tesla
  • LHC am Cern: 8,33 Tesla

Bei der NMR-Spektroskopie kann man auch mehrdimensionale Spektren aufnehmen. Damit ist gemeint, dass man zunächst Atome einer Art, beispielsweise Kohlenstoff, auf ihrer Resonanzfrequenz im NMR-Spektrometer anregt, aber dann auch misst, ob andere Atome ein Signal liefern, also ob Energie von der ersten Atomart auf andere übertragen wurde. Dies lässt Rückschlüsse auf eine direkte Bindung zwischen den Atomarten im Molekül zu. Eine solche Information hilft noch nicht viel weiter, aber führt man dies in vielen verschiedenen Kombinationen durch, entsteht am Ende ein Gesamtbild über die verschiedenen Bindungen in einem Molekül. Auch bei großen Proteinen kann dies sehr helfen, mehr über die Struktur zu lernen, besonders weil man die Mehrdimensionalität noch weiter treiben kann. Drei, vier oder fünf-Dimensionale Spektren sind möglich. Der einzige beschränkende Faktor ist dabei nur die Zeit, die eine solche Messung dauert.

Und tatsächlich kann die Aufnahme eines NMR-Spektrum manchmal recht lange dauern. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden oft Messungen mehrfach wiederholt und aufaddiert, um ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu bekommen. Oft werden acht oder 32 Wiederholungen aufgenommen. Zwischen den Wiederholungen muss man allerdings auch immer warten, dass die Probe wieder im Grundzustand ist. Das dauert in der Regel nur ein paar Sekunden. Eine einfache Messung mit 32 Wiederholungen dauert ungefähr zwei Minuten. Soll ein zweidimensionales Spektrum aufgenommen werden, muss man eine einfache zwei Minuten Messung ungefähr 500 mal wiederholen. Bei einem dreidimensionalen Spektrum müsste man die zweidimensionale Messung auch 500 mal wiederholen und wäre damit bei über 8000 Stunden Messzeit – oder anders ausgedrückt: knapp ein Jahr. Das geht rein technisch schon nicht, da man den Magneten alle zwei Wochen warten muss. Wenn man allerdings auf etwas Auflösung bei den Spektren verzichten kann, und die Messungen jeweils nur 100 mal wiederholt, landet man bei ungefähr 13 Tagen, was dann schon wieder machbar ist.

André fragt nach den Grenzen des machbaren der NMR-Spektroskopie. Was dort möglich ist führt Peter aus und er unterscheidet auch zwischen den Methoden Lösungs-NMR-Spektroskopie, die die Moleküle in einer Flüssigkeit untersucht und der Festkörper-NMR-Spektroskopie die sich Festkörper oder Kristalle anschaut. Wir sprechen auch darüber, dass nicht alle Isotope einer Atomart überhaupt einen Kernspin zeigen und im NMR sichtbar sind. Hier eine kleine Liste von Links zu den Stichworten die vorkommen:

Wir haben eine kurze Pause gemacht und uns die Gebäude in denen die NMR-Spektrometer stehen, und natürlich die Spektrometer selbst, angesehen und wir haben etwas über Gebüsche gelernt. Am Leibniz-Forschungsinstitut für molekulare Pharmakologie (FMP) gibt es insgesamt 11 NMR-Spektrometer und die mit den höchsten Magnetfeldstärken stehen in gesonderten Gebäuden und vor manchen Stellen dieser Gebäude stehen Büsche. Die wurden dort gepflanzt um zu verhindern, dass ein/e Gärtner*in mit einem Rasenmäher dort arbeitet, denn die Magnetfelder einiger NMR-Spektrometer ragen aus dem Gebäude heraus und magnetisches Material, wie zum Beispiel ein Rasenmäher, würde jede Messung empfindlich stören.

André fragt dann nach den Unterschieden zwischen den beiden Techniken, die Peter immer mal wieder erwähnt hat: Lösungs-NMR und Festkörper-NMR. Die ersten NMR-Spektren wurden im Festkörper aufgenommen und später gab es dann auch die Lösungs-NMR. Jede Technik hat ihre Vor- und Nachteile und Peter erklärt uns auch die Linienverbreiterung, die etwas mit der Beweglichkeit von Molekülen zu tun hat. Gerade bei der Festkörper-NMR-Spektroskopie bewegen sich die Moleküle kaum noch, weswegen man eine Festkörper-NMR-Probe dreht – man nennt das Magic-Angle-Spinning.

Übrigens hat 1991 Richard R. Ernst für seine Arbeit an der NMR-Spektroskopie den Nobelpreis in Chemie erhalten. Informationen der Nobel-Stiftung dazu (engl.).

In der Wirkstoffforschung wird die NMR-Spektroskopie vor allem dazu eingesetzt um Strukturen von unbekannten Molekülen aufzuklären und um Wechselwirkungen zwischen Molekülen, oft auch zwischen Proteinen, besser zu verstehen. Oft wird NMR-Spektroskopie in diesem Zusammenhang auch im Screening benutzt. Peter erklärt hier auch, was eine Struktur-Bibliothek ist, die beim Screening eingesetzt wird.

Und damit sind wir mitten im Tätigkeitsbereich von Peter angekommen. Wir sprechen mit ihm, was er wissenschaftlich in seiner Arbeitsgruppe macht, aber auch was seine Aufgaben als Leiter einer Core Facility sind und was dort genau getan wird.

Einen Überblick über die Projekte von Peters Gruppe und einigen Kooperationen mit anderen Wissenschaftlern gibt es hier, leider jeweils nur auf Englisch. Wir sprechen ausführlich über verschiedene Projekte, an denen Peter gerade arbeitet, aber auch wie der Ablauf dabei ist. Am Ende spekuliert Peter, wie es mit der NMR-Spektroskopie weiter gehen wird. Ein paar Stichworte die dabei noch vorkamen:

Peter hat auf seiner Homepage viele Dinge verlinkt. Besonders empfehlen können wir den Abschnitt mit den Postern, auf denen einiges zum Thema NMR mit anschaulichen Bildern erklärt wird, und der Abschnitt Teaching, wo es teilweise ganze Vorlesungen von Peter als Folien zum Herunterladen gibt, sowohl auf Deutsch als auch auf Englisch.

  

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