17O四极化化学交换饱和转移（Q-CEST）核磁共振技术用于研究固体中的分子动力学

《Journal of Magnetic Resonance》：17O quadrupolar chemical exchange saturation transfer (Q-CEST) NMR for investigations of molecular dynamics in solids

17O Q-CEST方法用于研究NaNO3中氧原子三位点跳跃及蛋白纤维周围水分子四重体翻转动力学，结合模拟和理论分析验证了该方法在微秒至纳秒时间尺度上的应用有效性，为固体分子动力学提供新工具。

　　

Liliya Vugmeyster|Karen Basaves|Riqiang Fu|Sean T. Holmes|Dmitry Ostrovsky

美国科罗拉多大学丹佛分校化学系，丹佛，CO 80204

摘要

我们引入了四极化化学交换饱和转移（Q-CEST）技术，用于研究半整数四极化核（如氧-17），作为固体分子动力学研究的补充核磁共振（NMR）工具。通过对模型化合物NaNO₃以及由pyro-glutamate E3 Amyloid-β蛋白形成的纤维中的水分子的实验，并结合模拟和理论方法，我们获得了分子运动的参数。我们确定了NaNO₃中氧原子进行三位置跳跃的速率常数，以及在水分子靠近蛋白质表面且在低于冰点温度时进行四面体跳跃的速率常数和种群分布。检测主要集中在中心跃迁（CT）上。然而，在饱和过程中，发射器会扫描一个宽频率范围，从而能够观察到第一个卫星跃迁。我们对CT Q-CEST信号进行了详细分析，这些信号涵盖了大约发生在微秒和纳秒时间尺度上的两个动态跃迁，并特别关注了二阶四极相互作用动态平均效应的正确处理。

引言

由于氧在多种材料和生物分子化合物中的重要性，开发针对¹⁷O核的NMR方法是一个活跃的研究领域[1]、[2]。¹⁷O核的动力学特性可以提供关于分子在关键位置灵活性的重要信息。¹⁷O是半整数四极化核，自旋为5/2，其四极耦合常数（$C_q$）范围很广，可达到数十MHz。自旋物理特性主要由四极相互作用决定，Pound在早期研究中对此进行了详细探讨[3]。这种相互作用不影响中心跃迁（CT），即m_z = +1/2态与m_z = ?1/2态之间的跃迁；因此，许多研究利用CT检测技术来利用相对较窄的线形特征[2]。

在这项工作中，我们引入了¹⁷O四极化化学交换饱和转移（Q-CEST）方法，主要用于在静态（非自旋）条件下研究分子动力学。在溶液NMR中，CEST是揭示次要构象状态的主要技术之一[4]、[5]，也被应用于固态NMR的不同领域[6]、[7]，包括²H Q-CEST[8]、[9]。在宽的偏离共振条件下，沿横向轴施加弱射频辐射，覆盖整个CT区域甚至更宽的范围（包括卫星跃迁ST）。然后，将产生的纵向磁化转移到横向平面，在CT光谱区域进行检测。Wimperis及其同事[10]也提出了类似的实验，用于观察在偏离共振自旋锁定状态下自旋为3/2和5/2的核的相干相互作用演变。

我们详细介绍了实验和计算方法，并结合了理论分析。在理论阐述中，我们特别关注了在快速运动极限下正确处理二阶四极相互作用平均效应的问题，这会导致¹⁷O线形中出现的第二个动态跃迁[11]。我们展示了两种情况的实验结果和相应的计算处理结果。第一种情况是NaNO₃中的¹⁷O核进行三位置跳跃（图1A），该化合物被用作验证该方法有效性的模型。此前已经通过线形分析在413至173 K温度范围内评估了速率常数[11]，并通过实验室测量和旋转框架测量在280至195 K温度范围内获得了¹⁷O的弛豫时间（$T_1$、$T_2$和$T_{1\rho }$）[12]。我们将新的¹⁷O Q-CEST测量结果与其他类型实验得到的趋势进行了比较，证明这些速率常数是一致的。第二种情况是含有病理性pyroglutamate-3翻译后修饰（pyro-E3 Aβ）的Amyloid-β纤维中的水分子动力学，这种修饰与阿尔茨海默病有关[13]。我们之前使用¹⁷O的$T_1$和$T_{1\rho }$测量在低温下评估了这些纤维的水合壳层动力学[14]。在这项工作中，我们用新的¹⁷O CT Q-CEST测量结果补充了之前的研究，并比较了低温下蛋白质表面附近水分子四面体重定向的速率常数。在水合物的冰点以下，水分子的四面体重定向对动力学变化最为敏感（图1B）。

材料

晶体相的NaNO₃样品由皇后大学的Gang Wu教授提供，并按照参考文献[11]中的方法制备。此外，Beewerth等人使用相同的制备协议测得的¹⁷O同位素掺入程度为4.5%[15]，因此分子内的¹⁷O–¹⁷O耦合较为罕见。¹⁷O核之间的同核偶极耦合通常很小，对于一对分子内的氧原子来说大约为60 Hz

理论

在横向场的作用下，双旋转框架中的哈密顿量的长期部分表示为$H=?\Omega I_{}+H_Q+{\omega }_{\mathrm{RF}}{I}_x$，其中$\Omega$是横向场的偏移频率，$H_Q$是四极哈密顿量的长期部分，${\omega }_{\mathrm{RF}}$是横向场的强度。四极哈密顿量包括一阶和二阶项，$H_Q=H_{Q1}+H_{Q2}$，其中二阶四极项源于平均哈密顿量理论中的Magnus展开[30]。

结论

当分子动力学过程发生在微秒或纳秒时间尺度上时，¹⁷O Q-CEST结合CT检测技术可以成为研究分子固体动力学的有效工具。这些运动通过调节线形强度和宽度来影响最终的饱和曲线。Q-CEST方法与线形分析和弛豫测量相结合，有助于确定复杂系统中分子的运动机制和时间尺度。

该方法的主要优势之一是其广泛应用性

CRediT作者贡献声明

Liliya Vugmeyster：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，资源协调，项目管理，方法学设计，实验设计，资金申请，数据分析，概念构思。Karen Basaves：数据分析。Riqiang Fu：撰写 – 审稿与编辑，方法学设计。Sean T. Holmes：撰写 – 审稿与编辑，方法学设计。Dmitry Ostrovsky：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件开发，方法学设计，实验设计，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了National Institutes of Health的资助（项目编号：1R15GM157635-01A1）。实验在National High Magnetic Field Laboratory进行，该实验室得到了NSF Cooperative Agreement（NSF/DMR-2128556）、佛罗里达州政府以及U.S. Department of Energy的支持。