Selective Isotope Labeling and LC-Photo-CIDNP Enable NMR Spectroscopy at Low-Nanomolar Concentration

CIDNP公司 化学 同位素 核磁共振波谱 光谱学 质谱法 同位素标记 分析化学(期刊) 放射化学 极化(电化学) 色谱法 有机化学 物理化学 核物理学 物理 量子力学
作者
Hanming Yang,Si-Yu Li,Clayton A. Mickles,Valeria Guzmán‐Luna,Kenji Sugisaki,Clayton M. Thompson,Hung H. Dang,Silvia Cavagnero
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (26): 11608-11619 被引量:24
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01809
摘要

NMR spectroscopy is a powerful tool to investigate molecular structure and dynamics. The poor sensitivity of this technique, however, limits its ability to tackle questions requiring dilute samples. Low-concentration photochemically induced dynamic nuclear polarization (LC-photo-CIDNP) is an optically enhanced NMR technology capable of addressing the above challenge by increasing the detection limit of aromatic amino acids in solution up to 1000-fold, either in isolation or within proteins. Here, we show that the absence of NMR-active nuclei close to a magnetically active site of interest (e.g., the structurally diagnostic 1Hα–13Cα pair of amino acids) is expected to significantly increase LC-photo-CIDNP hyperpolarization. Then, we exploit the spin-diluted tryptophan isotopolog Trp-α-13C-β,β,2,4,5,6,7-d7 and take advantage of the above prediction to experimentally achieve a ca 4-fold enhancement in NMR sensitivity over regular LC-photo-CIDNP. This advance enables the rapid (within seconds) detection of 20 nM concentrations or the molecule of interest, corresponding to a remarkable 3 ng detection limit. Finally, the above Trp isotopolog is amenable to incorporation within proteins and is readily detectable at a 1 μM concentration in complex cell-like media, including Escherichia coli cell-free extracts.
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