Кислород с полным правом может считаться гадким утенком для биомолекулярного ядерного магнитного резонанса. Хотя этот элемент играет важную роль в белках и нуклеиновых кислотах, углерод, водород, азот и фосфор изучают с помощью метода ЯМР гораздо чаще, так как у ¹⁷O ЯМР спектров плохое разрешение. Для «восстановления справедливости» исследователи разработали метод, который позволяет получать ¹⁷O ЯМР спектры биологически значимых молекул с гораздо лучшим разрешением, чем это было возможно ранее.

Цзяньфэн Чжу (Jianfeng Zhu) и Ган Ву (Gang Wu) из Королевского Университета (Кингстон, Онтарио) разработали новый метод на основе предложенного ранее Ву способа, включающего в себя применение магнитных полей сверхвысокой напряженности для анализа больших комплексов белок-лиганд с помощью твердотельной ¹⁷O ЯМР спектроскопии. Новая разработка, квадрупольный ЯМР центрального переходного состояния (central transition NMR), позволяет проводить анализ биомолекул с помощью метода ¹⁷O ЯМР и в водном растворе.

Рис. 1. ¹⁷O ЯМР спектр получен с разрешением,
которое ранее не было возможно для кислородсодержащих
белков. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja1079207).

Оба метода позволяют достичь беспрецедентного разрешения для регистрируемых спектров ¹⁷O ЯМР, при этом новый метод регистрации спектров в растворе позволяет изучать биомолекулы, содержащие в три раза больше атомов кислорода, чем это было доступно для прежних методик регистрации ¹⁷O ЯМР спектров. Ву отмечает, что метод ¹⁷O ЯМР спектроскопии растворов более важен, так как позволяет изучать молекулы белков в нативном состоянии, которое, как правило отличается от конформации, принимаемой белком в кристалле.

Эрик Олдфилд (Eric Oldfield) из Университета Иллинойса, автор опубликованных еще в 1980-х годах первых работ по применению ¹⁷O ЯМР спектроскопии для изучения биологически значимых соединений, отмечает, что работа Ву и Чжу является наглядным примером того, что ¹⁷O ЯМР спектры высокого качества даже больших по размеру белков могут быть получены при использовании магнитных полей с высокой напряженностью. Он полагает, что в настоящий момент одной из самых сложных, но решаемых, задач является разработка методов введения метки ¹⁷O в сложные белки или связывающиеся с ними в процессе обмена веществ лиганды.

Сложность спектроскопии ¹⁷O ЯМР заключается в том, что ядро нуклида ¹⁷O квадрупольно, что приводит к образованию в ЯМР спектре широких линий, которые с трудом поддаются интерпретации. Жу и Ву смогли решить эту проблему, применив магнитное поле с необычно высокой напряженностью, и сфокусировавшись на одном типе энергетического перехода ЯМР – центрального перехода. Такой подход, наряду с медленной скоростью движения громоздких биомолекул в растворе, позволил исследователям получить узкие линии в спектре ¹⁷O ЯМР, и, тем самым, существенно повысить разрешение спектров.

Квадрупольный ЯМР центрального переходного состояния может использоваться для изучения химического окружения атома кислорода по значению его химических сдвигов, метод может оказаться полезным для изучения особенностей образования кислородсодержащих реакционноспособных интермедиатов биологически активных молекул, взаимодействия белков с низкомолекулярными соединениями за счет кислорода (для демонстрации возможностей нового метода было изучено взаимодействие оксалат-овотрансферрин).

Ву уверен, что разработанный им метод может использоваться для изучения комплексов белок-субстрат с молекулярной массой до 500000 Дальтон, что позволит специалистам по установлению строения биомолекул методом ЯМР рассматривать его как «гадкого утенка».