NMR-Spektroskopie

An den Grenzen des Machbaren

Das neue Institutsgebäude für Chemie auf dem Campus Irchel wird Standort höchster Spitzentechnologie im Bereich der NMR-Spektroskopie. Das 13.5 Millionen teure Gerät wird zusammen mit der ETH Zürich und der Universität Basel angeschafft.

Stefan Stöcklin

Struktur
Struktur
Molekülstruktur eines Membranproteins (GPCR, G-Protein coupled receptor), das Oliver Zerbe mit dem 1.2 GHz-Spektrometer untersuchen wird (li). Rechts das äusserlich unscheinbare Gerät. (Bild: zVg)

 

Der Chemiker Oliver Zerbe kommt ins Schwärmen, wenn er vom neuen NMR-Spektrometer spricht, das sich die UZH beschafft: «Absolute Spitzentechnologie, völlig neu, an den Grenzen des Machbaren», sagt der Professor für Strukturbiologie am Institut für Chemie der UZH. Genauer gesagt handelt es sich um ein 1.2 Gigahertz-NMR-Gerät, das erst seit Anfang des Jahres auf dem Markt ist. Es ist technisch derart ausgefeilt, dass es dieses Feld der NMR-basierten Strukturbiologie in neue Bereiche vordringen lässt. «Wir können mit diesem Gerät grosse Moleküle in bisher unerreichter Auflösung analysieren», sagt Zerbe.

Wer in der obersten Liga der Strukturuntersuchungen weltweit mitspielen möchte, für den sei ein derartiges Gerät unabdingbar. Und der Forschungsplatz Zürich sei auf diesem Gebiet definitiv bei der Weltelite dabei, betont Zerbe. Immerhin gingen in der Vergangenheit zwei Nobelpreise im Bereich der NMR-Technologie an Zürcher Wissenschaftler: 1991 an Richard Ernst und 2002 an Kurt Wüthrich, beide von der ETH. Oliver Zerbe war damals PostDoc in Kurt Wüthrichs Labor und wurde 2004 an die UZH berufen.

Rekonstruktion lebenswichtiger Moleküle

Wie in kaum einem anderen Forschungsgebiet sind Fortschritte in der Strukturaufklärung biologischer Moleküle von der Weiterentwicklung der Technik abhängig. In dieser Disziplin geht es darum, den dreidimensionalen Aufbau und die Gestalt von Makromolekülen bis auf die Ebene einzelner Atome aufzuschlüsseln. Erst diese Rekonstruktion gibt Einblicke darin, wie lebenswichtige Moleküle funktionieren, und wie sie in den Körperzellen ihre Aufgaben erfüllen.

Ein Beispiel dafür sind Membranproteine, die den Verkehr kleiner Moleküle in und aus der Zelle regulieren und Signale weiterleiten. Oder die DNA- und RNA-Erbgutmoleküle im Zellinnern, die genetische Informationen umsetzen. Oft wird die Funktionsweise erst aus der Struktur ersichtlich. Zudem liefert diese auch gleichzeitig die Grundlage, um Wirkstoffe zu entwickeln, mit denen die Zellmoleküle moduliert werden können, zum Beispiel zur Behandlung von Krebs.

Für diese Strukturuntersuchungen ist die NMR-Spektroskopie seit den 1980er Jahren eines der wichtigsten Werkzeuge. NMR steht für «Nuclear Magnetic Resonance» und basiert auf statischen Magnetfeldern, durch die der Kernspin (oder das magnetische Moment) von Wasserstoff-Atomen beeinflusst wird. Mit elektromagnetischen Pulsen wird der Kernspin manipuliert und dabei das Zurückfallen in den Ursprungszustand gemessen. Der Wasserstoff-Kern reagiert dabei aufgrund der chemischen Nachbaratome unterschiedlich, er fühlt sozusagen die Umgebung. Aus Abstandsmessungen der Wasserstoffkerne lässt sich dann die Struktur des zu untersuchenden Moleküls berechnen.

Nahe beim absoluten Nullpunkt

Eine entscheidender Faktor eines NMR-Spektrometers ist die Stärke des Magnetfelds, die mit der Frequenz zusammenhängt. Waren in den sechziger Jahren noch Magnete mit einer Protonenfrequenz von 100 Megahertz Standard, so stellten bis vor kurzem 1000 Megahertz (1 Gigahertz) das höchste der Gefühle dar. «Dank Fortschritten in den Materialwissenschaften können seit Kurzem Magnete mit 1.2 Gigahertz gebaut werden», sagt Zerbe. Dazu sind Spulen mit speziellen supraleitenden Drähten nötig, sogenannte Hochtemperatursupraleiter, die weiterhin bei Temperaturen von 2 Kelvin (- 271.15 Grad Celsius) betrieben werden aber höhere Stromstärken vertragen. Sie müssen dazu mit flüssigem Helium gekühlt werden. Ein derartiges Ultrahigh-Field NMR Gerät der Firma Bruker aus dem zürcherischen Fällanden ist seit Kurzem auf dem Markt erhältlich.

Die High-Tech-Maschine hat allerdings ihren Preis und kostet rund 13.5 Millionen Franken. Für Kauf, Einrichtung und den Betrieb hat sich die UZH hat mit der ETH Zürich und der Universität Basel zur «Swiss Ultrahigh-Field Solution NMR Facility» zusammengetan. Die Anlage hat damit nationale Bedeutung und ist Teil der Schweizerischen Forschungsinfrastruktur. Das Hochschul-Trio wird zwei Standorte betreiben: Das 1.2 GHz NMR Spektrometer wird im neuen Chemiegebäude auf dem Campus Irchel installiert, das derzeit fertiggestellt wird. Dort wird eine eigens für NMR-Untersuchungen geeignete, das heisst vibrationsfreie, Halle gebaut.

Ein zweites Gerät mit 800 MHz kommt in den Neubau des Biozentrums der Universität Basel. Die zwei Zürcher Hochschulen beteiligen sich mit je sechs Millionen Franken, die Uni Basel mit vier Millionen an den beiden NMR Spektrometern. Entsprechend den Beteiligungen wird die Messzeit an die Forscherinnen und Forscher der Hochschulen vergeben, zusätzlich können Forscher anderer Universitäten oder Firmen Messzeit einkaufen. Die Anschaffung beider Geräte ist beschlossen, sie werden demnächst bestellt.

Teil der UZH Technologieplattformen

«Ich finde es sehr sinnvoll, diese teure Infrastruktur gemeinsam anzuschaffen und zu betreiben», sagt Oliver Zerbe. Das 1.2 GHz- Gerät wird organisatorisch als Technologieplattformen der UZH betrieben, die den Forschenden Zugang zu komplexen und teuren Technologien verschafft, so unter anderem dem Functional Genomics Center oder der Nanobody Service Facility. «Das 1.2 GHz-NMR-Gerät ist eine aussergewöhnlich hohe Investition», sagt Thomas Trüb, Leiter der Abteilung Strategische Forschungsplattformen. Alle Beteiligten sind sich einig, dass sich das Engagement auszahlen wird. Oliver Zerbe sehnt bereits den Moment herbei, wenn er seine Proteinproben den Feldern des neuen NMR-Spektrometers aussetzen kann. Verläuft alles nach Plan, wird es 2023 soweit sein.

Stefan Stöcklin, Redaktor UZH News

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