Výsledky soutěže o nejlepší práci mladých autorů v oboru spektroskopie 2024 - kat. B 1. místo

Lednová schůze Hlavního výboru Spektroskopické společnosti byla tradičně dějištěm dalšího ročníku Soutěže o nejlepší práci mladých autorů v oboru spektroskopie. Soutěž se uskutečnila v prostorách Univerzity Pardubice, kde prezentovalo svůj příspěvek šest soutěžících v kategorii A a sedm soutěžících v kategorii B. Z hlediska počtu přihlášených prací tak byl tento ročník dobře vyvážený. Na průběh soutěže dohlížela čestná předsedkyně poroty prof. RNDr. Blanka Vlčková, CSc. Zastoupení tradičních oborů, jako je vibrační spektroskopie či hmotnostní spektrometrie, bylo letos doplněno poměrně vysokým počtem prací zaměřených na elektronovou spektroskopii.

Důkazem vysoké kvality soutěžních prací je také to, že v kategorii A, týkající se diplomových prací, se umístili Michael Foltýn z Vysokého učení technického v Brně s příspěvkem „Plazmonika neušlechtilých kovů“ a Mgr. Jan Biskupič z Masarykovy univerzity v Brně s prací „Zobrazovací metody (LA-ICP-MS a CT) pro testování teranostik a výzkum cévní mozkové příhody“ na sdíleném prvním místě. 

Třetí místo pak obdržel Ing. Martin Kovář z Centra výzkumu Řež s.r.o. za příspěvek „Vývoj metodik pro spektroskopickou analýzu magnetických ferro-, ferri-kyanidových sorbentů radionuklidů“.

V kategorii B publikovaných prací obsadil první pozici RNDr. Jan Blahut, Ph.D. z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR s prezentací „Numericky optimalizované multidimenzionální NMR pulzní sekvence pro studium proteinů v pevné fázi“, druhé místo pak doc. Ing. Andrea Konečná, Ph.D. z Vysokého učení technického v Brně s příspěvkem „Nízkoenergiové polaritonové excitace zkoumané pomocí elektronů a fotonů“ a třetí místo Ing. Jakub Buday, Ph.D. taktéž z Vysokého učení technického v Brně s příspěvkem „Investigating the evolution and characteristics of laser induced plasmas by methods in combination with LIBS“.

Závěrem blahopřeji všem oceněným a děkuji ostatním soutěžícím za prezentaci kvalitních prací. Poděkování patří také autorům posudků soutěžních prací, kteří hodnocení věnují svůj čas a úsilí. Souhrny oceněných prací jsou součástí Bulletinu č. 202.

Kategorie B - 1. místo

Numericky optimalizované multidimenzionální NMR pulzní sekvence pro studium proteinů v pevné fázi

• RNDr. Jan Blahut, Ph.D. (Ústav organické chemie a biochemie AV ČR, v. v. i.)
• E-mail: [email protected]

Seznam soutěžních prací:

• I) Tošner, Z.; Brandl, M. J.; Blahut, J.; Glaser, S. J.; Reif, B. Maximizing Efficiency of Dipolar Recoupling in Solid-State NMR Using Optimal Control Sequences. Sci. Adv. 2021,7(42),1–11.
• II) Blahut, J.; Brandl, M. J.; Pradhan, T.; Reif, B.; Tošner, Z. Sensitivity-Enhanced Multidimensional Solid-State NMR Spectroscopy by Optimal-Control-Based Transverse Mixing Sequences. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (38), 17336–17340.
• III) Blahut, J.; Brandl, M. J.; Sarkar, R.; Reif, B.; Tošner, Z. Optimal Control Derived Sensitivity-Enhanced CA-CO Mixing Sequences for MAS Solid-State NMR – Applications in Sequential Protein Backbone Assignments. J. Magn. Reson. Open 2023, 16–17, 100122.

Nukleární magnetická resonance je dnes vedle rentgenové difrakce hlavní metodou pro studium struktury proteinů. Při měření NMR spekter velkých molekul v roztoku ale narážíme na zásadní limit, kterým je rozšiřování čar vlivem T₂ relaxace, která je tím výraznější, čím je molekula větší. Na druhou stranu NMR v pevné fázi tímto fenoménem netrpí a T₂ relaxace není závislá na velikosti proteinu. NMR v pevné fázi tak umožňuje studium například velkých proteinů fixovaných v membránách, nebo celých virových kapsid.[1]

S rostoucí velikostí měřeného proteinu ale nastává problém výrazného překryvu signálů podobných skupin. Zde přichází na řadu další výhoda NMR, a tou je možnost měření mnohadimenzionálních (nD) experimentů. Spektra o čtyřech i více dimenzích dnes nejsou vzácností. Díky efektu T2 relaxace a možnosti rychlejšího přenosu signálu mezi jádry dipolární interakcí jsou nD experimenty v pevné fázi účinnější než v roztoku. Například 5D experiment 100kDa proteinu v pevné fázi je asi 15x citlivější.[2] Tak můžeme v rámci jednoho experimentu kupříkladu korelovat chemický posun ¹⁵N a ¹H v jedné aminokyselině s ¹³C, ¹⁵N a ¹H aminokyseliny vedlejší.

Pro správné zjištění chemického posunu musíme pro každou dimenzi zaznamenat reálnou i imaginární složku signálu. Toho se pro nepřímo detekované dimenze typicky dosahuje metodou States, díky které ale klesá citlivost experimentu o faktor √2 za každou nepřímou dimenzi. Dlouho panoval názor, že je to v NMR pevné fáze nevyhnutelné, protože dostupné pulzní sekvence neumožňují přenos obou složek signálu z jednoho jádra na druhé (transverzální mixing). Princip „sensitivity-enhanced“ detekce využívající transverzálního mixingu je ve zkratce vysvětlen na obrázku 1.

SSJMM / Jan Blahut: Obr. 1. Princip „sensitivity-enhanced“ detekce s využitím TROP pulzů. Během evoluce v nepřímé doméně t1 sekvence (A) dochází k evoluci koherence (B) chemickým posunem ΩI. Ve „States“ schématu akvizice (C) jsou cosinově a sinově modulované složky (FID 1 a FID 2) získány postupným přenosem reálné a imaginární složky. Při „sensitivity-enhanced“ experimentu (D) jsou přeneseny obě složky (F+) a (F−) signálu a rozlišeny pomocí 180° pulzu p. Tyto dva FID jsou sečteny a odečteny, aby se získaly cosinově a sinově modulované signály s dvojnásobnou amplitudou. Díky kumulaci šumu se SNR zvýší o faktor √2.

A zde přichází naše práce: Rozhodli jsem se pomocí metody optimálních procesů (Optimal Control, OC), která využívá velmi efektivní optimalizační algoritmus, najít tvarovaný pulz pro transverzální mixing numericky. Bylo však nejprve potřeba ukázat, že tento numerický přístup převzatý z ref. [3] je skutečné funkční a dostatečné robustní. V článku I) ukazujeme, že pulzní sekvence získaná pomocí OC nejen poskytuje výbornou shodu mezi teoretickou a experimentální účinností, ale i celkově přináší efektivnější přenos koherence mezi jádry než dosavadní metody. Zároveň je výrazně robustnější a nevyžaduje pečlivou optimalizaci před každým experimentem, či pro různé vzorky. 

Účinný nástroj jsme si tedy připravili a bylo na čase jej použít pro kýžený transverzální mixing. Ten se nám podařilo optimalizovat nejprve pro přenos mezi jádry různých (heteronukleární, článek II) a poté i stejných (homoukleární, článek III) prvků. V obou případech splnily OC pulzy (Transverse mixing Optimal control Pulses, TROP) očekávání a jejich využití v multidimenzionálních experimentech přináší zvýšení citlivosti o √2 za každou nepřímou dimenzi, jak ukazuje příklad SNR ve 3D experimentu na obrázku 2. To vzhledem k růstu citlivosti s odmocninou z experimentálního čas (počtu scanů) vede k bezprecedentnímu zkrácení experimentů pro mnohadimenzionální spektra. Například měsíc trvající 5D experiment z Ref [2] by v naší sensitivity-enhance verzi trval pouhé dva dny. To je zásadní především u vzorků s velmi malou citlivostí, např. amyloidních plaků úzce spojených s neurodegenerativními chorobami, kde naše metoda zvedá citlivost přibližně trojnásobně
(článek II).[4]

SSJMM / Jan Blahut: Obr. 2: Porovnání 2D řezů (pro uvedený 15N chemický posun) konvenčního (modrá) 3D hNCACO experimentu se „sensitivity-enhanced“ (červená) variantou pro jednotlivé aminokyseliny ve vzorku tripeptidu fMLF. 1D spektrum ukazuje řez pro chemický posun 13C𝛼 indikovaný čárkovanou čarou. Pozorované zvýšení citlivosti (SNR) mírně přesahuje teoretickou hodnotu (2) díky kompenzaci nehomogenit radiofrekvenčního pole v metodě OC.

Součástí publikací II a III je také sada speciálních 2D a 3D pulzních sekvencí využívajících našich OC pulzů, které umožňují kompletní přiřazení páteřního řetězce proteinů. Ukázalo se velmi užitečné tuto sadu nástrojů veřejně sdílet, protože na naši práci plynule navazují další pracoviště. Například C. Öster[7] využil náš přístup pro vývoj 4D pulzních sekvencí. Ještě zajímavější je pak práce týmu L. Andrease, kteří nalezli analytický přístup pro transverzální mixing, ale přiznávají, že je inspirovalo naše numerické řešení, bez něhož by i nadále byl
tento způsob zvýšení citlivosti považován v NMR pevné fáze za neproveditelný [5,6]