Einige Isotope (z.B. ¹H, ¹³C, ¹⁵N, ³¹P, ²⁷Al, ²⁹Si, etc.) tragen einen Spin. Diese grundlegende, quantenmechanische Eigenschaft kann im klassischen Sinne am nähesten mit einem Eigendrehimpuls des Atomkerns beschrieben werden. In Kombination mit der elektrischen Ladung erzeugt der Spin ein magnetisches Feld, welches mit einem externen Magnetfeld oder mit anderen Spins wechselwirken kann.

Bringt man demnach eine Probe, die magnetisch aktive Kerne z.B. der oben genannten Isotope enthält, in das starke Feld eines supraleitenden Magneten (z.B. 9.4 T, ca. 200,000-mal stärker als das Magnetfeld der Erde), richten sich die Kernspins entlang dieses Magnetfeldes aus und es kommt zu einer energetischen Aufspaltung unterschiedlicher Spin-Zustände. Dieser Effekt wurde bereits 1896 von Pieter Zeeman für den Elektronenspin durch Aufspaltung von optischen Absorptions- bzw. Emissionslinien in atomaren Dämpfen beobachtet, was 1902 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt wurde. Im Vergleich zu dem auf dem relativ großen Spin-Moment von ungepaarten Elektronen basierenden Zeeman-Effekt ist der Kern-Zeeman-Effekt allerdings um etwa drei Größenordnungen schwächer. Dies begründet die Notwendigkeit von extrem starken Magnetfeldern am Limit des technisch erreichbaren für moderne NMR-Spektroskopie.

Wird ein solcher Kernspin in einem starken Magnetfeld einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, dessen Frequenz der Kern-Larmorfrequenz entspricht, kommt es zur Resonanz: ein Kernspin-Übergang wird induziert und ein entsprechendes Photon absorbiert. Diese Induktion kann wiederrum durch die gleiche Radiofrequenz-Spule, die auch zur Anregung verwendet wurde, aufgenommen und elektronisch gespeichert werden. Da z.B. in einem Molekül der Kernspin jedes Atoms eine unterschiedliche magnetische Umgebung wahrnimmt (z.B. durch lokale Felder anderer Kerne oder Abschirmung durch Elektronenwolken), besitzt jedes Atom eine eigene, unterscheidbare Resonanzfrequenz im erhaltenen NMR-Spektrum.

Bei typischen Magnetfeldstärken von ca. 7–24 T ergeben sich für Protonen (¹H-Kerne des Wasserstoffs) Larmorfrequenzen zwischen 300 und 1000 MHz. Die chemische Verschiebung (also der Frequenzunterschied durch elektronische Abschirmung) beträgt dabei nur bis etwa 10-20 ppm. Für andere Kerne ist die Larmorfrequenz zwar deutlich geringer, allerdings wird häufig ein sehr viel größerer Bereich der chemischen Verschiebung erreicht (z.T. 1000 ppm und mehr), wodurch sich vielfältige Fragestellungen untersuchen lassen.

Basierend auf den oben beschriebenen Grundlagen, besteht jedes NMR-Spektrometer aus den folgenden Komponenten: (1) Magnet, (2) Probenkopf, (3) Konsole, (4) Workstation.

1. Der Magnet erzeugt das benötigte Feld durch die elektromagnetische Induktion einer supraleitenden Spule. Einmal gekühlt und geladen, fließt der Strom praktisch widerstandsfrei und ohne jeglichen externen Anschluss. Dadurch wird nicht nur die elektrische Verlustleistung reduziert, die bei konventionellen Magneten (z.B. im Falle von Kupferspulen) einen enormen Aufwand durch Stromerzeugung und Wasserkühlung bedeutet. Gleichzeitig wird auch ein extrem stabiles Magnetfeld erzeugt, welches für die spektrale Trennung von NMR-Resonanzlinien mit einer Auflösung im Bereich von ppb oder besser benötigt wird. Dafür muss der Magnet allerdings kontinuierlich mit flüssigem Helium bei einer Temperatur von 4,2 K (–269 °C) gekühlt werden. Zur Verringerung von Wärmeverlusten und zur Minimierung des Helium-Verbrauchs wird zusätzlich ein isolierendes Mantelvakuum sowie ein umgebender Behälter mit flüssigem Stickstoff verwendet. Dadurch erhöht sich der Platzbedarf, so dass häufig speziell konstruierte Laborräume mit angeordneten Stellflächen und genügender Raumhöhe benötigt werden.
2. Der Probenkopf dient zum genauen Positionieren der Probe im Probenröhrchen in der Bohrung des Magneten. Zum anderen übernimmt er die wichtige Aufgabe zur Erzeugung und Detektion des Radiofrequenzfeldes. Hierzu kommen spezielle Spulen zum Einsatz (z.B. Sattel oder Solenoid) die Teil von elektromagnetischen Schwingkreisen zur Erhöhung der Güte des Signals sind. Weiterhin enthalten NMR-Probenköpfe häufig Möglichkeiten zur Temperierung oder Rotation von Proben und sind besonders in der Analytik mit einem automatischen Probenwechselsystem ausgestattet.
3. Die Konsole enthält die elektronischen Bauteile zur Erzeugung der Radiofrequenzpulse und Detektion der Kernspinsignale, welche durch die Spule ausgesendet bzw. empfangen werden. Hierzu kommen Frequenzgeneratoren (Synthesizer), Puls- bzw. Wellenformgeneratoren sowie Duplexer, Vorverstärker, Mischer, und Audiodetektoren im Homodynverfahren zum Einsatz. Ebenso enthält die Konsole Komponenten zur Kontrolle des NMR-Magneten (z.B. Kryogen-Füllstände, Shim-Spulen zur Optimierung der Magnetfeld-Homogenität, etc.) und zur Kommunikation mit der Workstation.
4. Die Workstation ist das Interface zwischen dem NMR-Spektrometer und dem Spektroskopiker. Dabei handelt es sich typischerweise um einen konventionellen Desktop-PC, der über eine spezielle Kontroll- und Auswertungssoftware verfügt und über Ethernet mit der Konsole kommuniziert. Über die Software lassen sich spezielle Pulsprogramme erstellen, Messparameter variieren und die gewonnen Daten zur weiteren Auswertung aufbereiten.

Relevante Wechselwirkungen in der NMR sind generell anisotrop. Das bedeutet, die Wechselwirkungsstärke hängt von der Orientierung zwischen dem externen Magnetfeld und der Umgebung des Kernspins, (z.B. des Moleküls oder Kristalls) ab. Daraus ergibt sich, dass sämtliche NMR-Wechselwirkungen prinzipiell als Tensor 2. Ranges beschrieben werden muss, der zwei vektorielle Größen (z.B. Spin-Moment und externes Magnetfeld oder zwei Spin-Momente) miteinander in Bezug bringt.

Kleinere Moleküle können in Lösungen typischerweise durch die Brownsche Molekularbewegung relativ schnell taumeln, so dass alle möglichen Orientierungen effizient gemittelt werden. Dabei werden einige Wechselwirkungen auf einen orientierungsunabhängigen (isotropen) Mittelwert reduziert (z.B. chemische Verschiebung, J-Kopplung); dieser isotrope Wert entspricht der skalaren Spur des Wechselwirkungstensors. Andere Wechselwirkungen (z.B. dipolare Spin-Spin-Kopplung, evtl. quadrupolare Wechselwirkung) verschwinden, da der jeweilige Tensor spurlos ist.

In sehr großen Makromolekülen/Polymeren, hochviskosen/erstarrten Flüssigkeiten oder in (poly-)kristallinen/amorphen Festkörpern ist das molekulare Taumeln hinreichend verlangsamt. Dadurch werden die anisotropen Wechselwirkungen nicht gemittelt. In einkristallinen Proben führt dies zu einer Verschiebung der (meist relativ schmalen) Resonanzlinien bei Drehung des makroskopischen Kristalls im Magnetfeld. Durch kontrollierte Ausrichtung (z.B. mithilfe eines Goniometers) können so die Wechselwirkungstensoren ermittelt und sogar mit den Kristallachsen korreliert werden.

Im Falle von polykristallinen oder amorphen Proben kommt es zu einer Überlagerung aller möglicher Orientierungen gleichzeitig. Hierdurch kommt es zur (inhomogenen) Verbreiterung der Resonanzen und zur Ausbildung eines sogenannten Pulverspektrums. Die Einhüllende jeder Resonanzlinie beschreibt hierbei den gewichteten spektralen Bereich, der im Einkristall bei Drehung um jede Achse erreicht worden wäre. Allerdings kommt es häufig zur Überlagerung unterschiedlicher Kernspin-Resonanzen, ebenso ist keine direkte Korrelation zwischen Molekül-Koordinatensystem und Kristallachsen-System möglich; Informationen zu Betrag und Orientierung der Tensorelemente lassen sich allerdings durch komplexere Experimente sowie spektrale Simulation gewinnen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der NMR im Festkörper ist der direkte Einfluss von dipolaren Spin-Spin-Wechselwirkungen auf das erhaltene NMR-Spektrum. Im Gegensatz zur NMR in Lösung führen dipolare Kopplungen zur Aufspaltung von Resonanzlinien, was die direkte und modellfreie Messung von Abständen bzw. Winkeln zwischen Atomkernen mit einer prinzipiell sehr hohen Genauigkeit erlaubt. Ähnlicherweise erlaubt auch die Messung von quadrupolaren Aufspaltungsmustern einen Rückschluss auf Stärke und Orientierung eines elektrischen Feldgradienten am Ort eines hoch-spin-Kerns. So lassen sich z.B. der Einfluss von Elektronenpaarbindungen oder Wasserstoffbrücken direkt nachweisen und quantifizieren.

Allerdings kommt diese Fülle von zusätzlich wirkenden Kopplungen im Vergleich zur NMR in Lösung auch mit entsprechenden Nachteilen. Die Überlagerung der Resonanzlinien von typischerweise Hunderten bis Tausenden von unterschiedlichen Atomkernen innerhalb eines Probensystems führt zur starken spektralen Überlappung. Ebenso kommt es unter anderem durch die dipolaren Kopplungen zur starken Reduktion der Lebensdauer von Spin-Kohärenzen, was sich in größerer (homogener) Linienbreite widerspiegelt.

Anisotrope Wechselwirkungen in der NMR folgen den Kugelflächenfunktionen. Eine besondere Rolle kommt hierbei dem zweiten Legendre-Polynom P₂(x)=0.5·(3x²–1) zu, wobei x dem Kosinus des Winkels zum externen Magnetfeld entspricht. Dieses beschreibt die Winkelabhängigkeit der wichtigsten di- und quadrupolaren Kopplungen sowie der Anisotropie der chemischen Verschiebung. Daraus folgt, dass die Wechselwirkung bzw. der anisotrope Beitrag verschwinden, wenn der entsprechende Winkel genau dem magischen Winkel von 54.736° entspricht. Orientiert man z.B. die Verbindungsachse zweier gekoppelter Kernspins genau in diesem Winkel zum externen Magnetfeld, hat diese Kopplung keinen Einfluss auf das Festkörper-NMR-Spektrum!

Besonders in polykristallinen oder amorphen Proben ist diese einzigartige Orientierung natürlich nicht möglich, da die einzelnen Kristallite bzw. Moleküle ungeordnet sind. Daher rotiert man die Probe mit hoher Umdrehungsfrequenz um eine Achse, die im magischen Winkel zum Magnetfeld ausgerichtet ist. Ist die Rotationsfrequenz groß genug, werden alle winkelabhängigen Wechselwirkungen orthogonal zur Rotationsachse gemittelt und lediglich die Projektion der Wechselwirkung auf diese Achse verbleibt. Für alle Wechselwirkungen, die dem 2. Legendre-Polynom folgen, entspricht dies einer vollständigen Entfernung der Kopplung bzw. Anisotropie.

Ein analoges Bild ergibt sich durch Veranschaulichung der Rotationsachse im magischen Winkel als Raumdiagonale eines Würfels. Rotiert man den Würfel um diese Diagonale, werden alle drei orthogonale Raumachsen gleichermaßen nacheinander aufeinander abgebildet. Dadurch kommt es effektiv zur Mittelung aller Wechselwirkungen, die linear (d.h. in erster Ordnung) von den Koordinaten auf der entsprechenden Einheitskugel abhängen.

Zur effektiven Ausmittelung der anisotropen Wechselwirkungen werden Rotationsfrequenzen benötigt, die mindestens dem Betrag der entsprechenden Anisotropie entspricht; zur vollständigen Entfernung deren Auswirkungen sogar ein Vielfaches. So erfordert die Entkopplung einer dipolaren Wechselwirkung zwischen zwei direkt gebunden ¹³C-Kernen mit einem Abstand von 154 pm eine Rotationsfrequenz, die die Dipolkopplungskonstante von ca. 2 kHz um ein Vielfaches übersteigt. Für direkt an ¹³C gebundene ¹H-Kerne beträgt die Kopplungskonstante etwa 22 kHz; deshalb kommt meist neben MAS zusätzlich heteronukleare Entkopplungssequenzen mithilfe von Radiofrequenzpulsen zur Anwendung. Für zwei direkt benachbarte Methylen-Protonen mit einem Abstand von etwa 180 pm liegt die Kopplungsstärke in einem ähnlichen Bereich; da es sich hierbei allerdings um eine homonukleare Kopplung handelt, kann diese praktisch ausschließlich mit extrem hohen Rotationsfrequenzen bis zu den (kommerziell) technisch erreichbaren 110 kHz unterdrückt werden. Zur gezielten Wiedereinführung der dipolaren Wechselwirkungen (Rückkopplung) für die Messung von Abständen und Winkeln können bestimmte Pulssequenzen angewendet werden.

Ist die MAS-Frequenz kleiner als Größe der Anisotropie kommt es zur nicht-vollständigen Ausmittelung der Wechselwirkung. Durch die Entwicklung der transversalen Magnetisierung während des Zerfalls der freien Induktion (FID, free induction decay) aufgrund der modulierten Wechselwirkung während der Rotation wird deren Dephasierung periodisch refokussiert und es kommt zur Ausbildung von Rotationsechos nach jedem vollständigen Umlauf des Rotors. Nach der Fourier-Transformation des FIDs manifestieren sich diese periodischen Echos als Rotationsseitenbanden in gleichmäßigem Abstand der MAS-Frequenz. Da das Integral unter der gesamten Resonanz inklusive Seitenbanden erhalten bleibt, führt somit eine Erhöhung der MAS-Frequenz nicht nur zur besseren spektralen Trennung der Seitenbanden von der Zentralbande (welche bei der isotropen Resonanzfrequenz auftritt), sondern auch zur Erhöhung der Empfindlichkeit durch Reduktion der Anzahl und Intensität der Seitenbanden.

Zur technischen Implementierung von MAS mit Rotationsfrequenzen von 110 kHz und höher kommen heutzutage moderne Stator-Rotor-Systeme zum Einsatz. Der Stator ist als Teil des NMR-Probenkopfes im magischen Winkel innerhalb der Magnetbohrung ausgerichtet und besteht neben dem Gehäuse aus Lagern, Strömungslenkern, und Antriebseinheit. Zur Lagerung wird ein radialer Luft- bzw. Stickstoffstrom verwendet, der aus Düsen in den Zwischenraum zwischen die Lager und die Außenwand des Rotors eingebracht wird. Gleichzeitig wird der somit kontaktfrei gelagerte Rotor mithilfe einer Turbine und einem tangentialen Antriebsstrom zur Rotation gebracht. Zur Kontrolle des Gasstroms von den Lagern zum Auslass und zur Vermeidung von Turbulenzen kommen Prallwände zum Einsatz.

Als Rotor-Material kommt hauptsächlich keramisches Zirkoniumdioxid (ZrO₂) zum Einsatz, was durch seine hohe Härte den extremen Zentrifugalkräften während der Rotation widerstehen kann und trotzdem einfach zu Verarbeiten ist. Alternativ dazu kann ein Rotor aus synthetischem (einkristallinen) Saphir (Al₂O₃) verwendet werden. Dieser ist zwar härter, aber auch spröder als ZrO₂, was die Gefahr des plötzlichen Verlusts der strukturellen Integrität (d.h. mechanische Explosion) des Rotors erhöht. Dafür ist Saphir im Vergleich zu ZrO₂ transparent in einem weiten Frequenzbereich, was die gleichzeitige Bestrahlung mit z.B. Licht oder Mikrowellen während MAS-NMR ermöglicht.

Der Durchmesser des Rotors limitiert in direkter Weise die maximale Rotationsfrequenz. Dies ist zum einen durch Abhängigkeit der Zentrifugalkraft auf den Durchmesser zurückzuführen. Zum anderen muss neben dieser mechanischen Komponente aber auch beachtet werden, dass die Tangentialgeschwindigkeit der Rotorwand sich in Bereichen der Schallgeschwindigkeit des lagernden und antreibenden Mediums bewegen kann. Dies begrenzt zusätzlich die maximale Rotationsfrequenz, besonders wenn die Probentemperatur durch Kühlung der MAS-Gasströme realisiert wird. Heutzutage kommen typischerweise Rotoren mit einem Durchmesser zwischen 7 mm (max. 7 kHz) und 0,7 mm (max. 110 kHz) zum Einsatz. Beliebte Werte sind u.a. 4 mm (15 kHz), 3.2 mm (25 kHz), 1.9 mm (40 kHz) und 1.3 mm (67 kHz).

Der Kern-Zeeman-Effekt ist eine sehr schwache Wechselwirkung. Folglich sind auch die erzielten Energieaufspaltungen in technisch erreichbaren Magnetfeldern sehr klein. Dies hat mehrere Konsequenzen. Zum einen werden durch die große natürliche Lebensdauer des angeregten Spin-Zustandes lange Kohärenzzeiten und somit sehr schmale (homogene) Linienbreiten ermöglicht. Auf der anderen Seite führt der kleine Boltzmann-Faktor zu einer entsprechend kleinen Polarisation der Spin-Zustände. Diese Polarisation ist der relative Besetzungsunterschied zwischen dem energetischen Grundzustand und dem angeregten Zustand und limitiert dadurch zwingend die erreichbare NMR-Signalintensität eines Systems im thermischen Gleichgewicht. Zusammen mit der langsamen Rückkehr nach einer Anregung der Spins durch einen Radiofrequenzpuls zu diesem Gleichgewicht (Relaxation) ergeben sich sehr lange experimentelle Zeitspannen zur Aufnahme eines Spektrums mit hinreichendem Signal-zu-Rausch-Verhältnis.

Die thermische Spinpolarisation von ungepaarten Elektronen ist im Vergleich zu Kernspins um etwa 3 Größenordnungen höher. Durch die dynamische Kernspinpolarisation (DNP, engl. dynamic nuclear polarization), d.h. die Übertragung dieser Elektronenspin-Polarisation auf Kernspins, kann die NMR-Empfindlichkeit signifikant vergrößert werden. Für ¹H beträgt der maximale Verstärkungsfaktor ca. 660, für andere Kernspins ist dieser entsprechend der gyromagnetischen Verhältnisse größer. Allerdings kommt es aufgrund von Relaxation und limitierter Effizienz der Übertragungsmechanismen zu Verlusten, so dass typischerweise Verstärkungsfaktoren im Bereich von 20–200 erreicht werden. Nichtsdestotrotz resultiert dies in einer Erhöhung der Empfindlichkeit um den Faktor 400–40,000!

Im Festkörper können unterschiedliche DNP-Mechanismen auftreten: der Solid Effect (SE) und der Cross Effect (CE) sind die beiden relevantesten Mechanismen für MAS-NMR.

1. Der Solid Effect ist der erste bekannteste DNP-Mechanismus in elektrisch nicht-leitfähigen (dielektrischen) Festkörpern und basiert auf der direkten Anregung von Null- bzw. Doppelquanten-Kohärenzen zwischen einem Elektronen- und einem Kernspin. Da diese nominell quantenmechanisch verboten sind, wird für deren Anregung ein sehr starkes Mikrowellenfeld benötigt; entsprechend ist die Effizienz des SE besonders bei hohen Magnetfeldern begrenzt. Trotzdem ist der SE aufgrund der geringen Komplexität des zugrundeliegenden Spinsystems ein wichtiger DNP-Mechanismus.
2. Der Cross Effect ist sehr effizient und dadurch der häufigsten verwendete DNP-Mechanismus. Dabei kommen speziell maßgeschneiderte Polarisationsmittel zum Einsatz, die zwei ungepaarte Elektronen besitzen (schwach gekoppelte Biradikale). Dabei wird das EPR-Spektrum eines Radikalzentrums durch Mikrowellen gesättigt; durch die magnetische Kopplung der beiden Elektronenspins kann dann die Polarisation des zweiten Spins auf einen Kern übertragen werden. Dies geschieht besonders effizient unter MAS.

Der Spin ungepaarter Elektronen dient als Quelle der großen Polarisation, die bei DNP auf die Kernspins übertragen wird. Ungepaarte Elektronen sind allerdings nur unter bestimmten Voraussetzungen chemisch stabil. Dabei können z.B. sterische Hinderung oder mesomere Stabilisierung in persistenten Radikalen beitragen, oder die intrinsisch höhere Stabilität von unvollständig gefüllten, tiefliegenden Elektronenschalen wie z.B. in Übergangsmetallionen oder Lanthanoiden.

Für SE kommen einfache Radikale wie Trityl (Triarylmethyl) oder BDPA (1,3-Bisdiphenylen-2-phenylallyl) zum Einsatz. Alternativ können auch Metallkomplexe mit Gd³⁺ oder Mn²⁺ verwendet werden. Für CE werden Nitroxide, z.B. auf TEMPO-Basis [(2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl], zu dimeren verbrückt, oder mit Trityl bzw. BDPA zu heterodimeren Biradikalen verbunden. Durch unterschiedliche Derivatisierung kann dabei Löslichkeit in wässrigen oder organischen Lösungsmitteln erzielt werden.

Neben dem zentralen MAS-NMR-Spektrometer benötigt DNP folgende zusätzliche Komponenten: (1) Mikrowellenquelle, (2) DNP-Probenkopf, (3) Cryo-MAS-Wärmetauscher.

1. Als Mikrowellenquelle kommt meist ein Gyrotron zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um einen Zyklotron-Elektronenstrahl-MASER, der durch Injektion von beschleunigten Elektronen in ein Magnetfeld Strahlung mit Frequenzen von ca. 100–1000 GHz bei einer Mikrowellenleistung von bis zu ~100 Watt erzeugt. Diese Methode zur Herstellung von hochfrequenten Mikrowellenstrahlung solch hoher Leitung ist einzigartig und hat MAS-DNP in den 1990er-Jahren revolutioniert. Der erzeugte Mikrowellenstrahl wird durch einen übermodierten zirkularen Wellenleiter zum DNP-Probenkopf geleitet.
2. Der DNP-Probenkopf basiert auf einem herkömmlichen MAS-NMR-Probenkopf, besitzt aber einige notwendige Modifikationen. Zum einem erlaubt der eingebaute Mikrowellenleiter die Bestrahlung der Probe und somit die Induktion der DNP-Mechanismen. Zum anderen muss aufgrund des Betriebs von MAS bei Temperaturen um –173 °C (100 K) eine thermische Isolation sowie einfache Methode zum Wechseln von Rotoren ohne Ausbauen des Probenkopfes gegeben sein. Die Abkühlung der Probe dient zum Ausfrieren der molekularen Bewegung und somit der Herstellung eines starren dipolaren Netzwerks zum effizienten Transport der Polarisation durch Spindiffusion; ebenso wird die Spinrelaxation zur Steigerung der DNP-Effizienz verlangsamt.
3. Der Kryo-MAS-Wärmetauscher verwendet flüssigen Stickstoff bei einer Temperatur von –196 °C (77 K) zur Kühlung von gasförmigem Stickstoff; letzteres wird als MAS-Lager und -Antriebsgas verwendet wird. Hierdurch kann eine Verringerung der Probentemperatur auf bis unter –173 °C (100 K) erreicht werden.

Obwohl die quantenmechanischen Grundlagen für einfache Spin-Systeme hinreichend bekannt sind, ist die Vorhersage der Distanz, über die Spin-Polarisation durch DNP übertragen werden kann, sehr schwierig. Dies ist auf der Vielzahl von unterschiedlichen Effekten begründet, die DNP beeinflussen. So ermöglicht die Hyperfein-Kopplung zwischen Elektronen- und Kernspins den Polarisations-Transfer, gleichzeitige Kopplungen zu weiteren Spins können mit diesem Transfer aber wiederum interferieren. Dadurch kommt es in einem komplexen System aus einer Vielzahl von Elektronen und Kernspins schnell zu einem unüberschaubaren Netzwerk an kompetitiven Wechselwirkungen.

Die Kenntnis über DNP-Transferraten als Funktion des Elektron-Kern-Abstands und eventueller weiterer Parameter wie Relaxationsraten und Spin-Diffusionsraten wäre ein immenser Vorteil in Blick auf zielgerichtete Anwendungen. So könnte z.B. durch gezielte Elektronenspin-Markierung von Molekülen oder Komplexen eine empfindliche Abstandsmessung durch DNP möglich sein. Ebenso wäre die selektive NMR-Detektion von markierten Komponenten einer Mischung denkbar.

Ein Modellsystem, das wir zur Untersuchung dieser Fragestellung entwickelt haben, basiert auf Ubiquitin. Dieses allgegenwärtige Protein spielt eine wichtige Rolle beim Abbau von nicht mehr benötigten Proteinen. Bei der Proteolyse binden ein oder mehrere Ubiquitin-Moleküle an das entsprechende Protein durch kovalente Kopplung des C-Terminus an ein Lysin. Dieser Ubiquitin-Komplex wird durch das Proteasom erkannt und degradiert. Durch diese Funktion ist Ubiquitin nicht nur ein bereits sehr gut untersuchtes Modellsystem für unsere Forschung, sondern bietet auch vielfältige Möglichkeiten zur weiteren Untersuchung der Proteolyse mittels DNP.

In einer ersten Studie haben wir die Aminosäuren-Sequenz von Ubiquitin an drei unterschiedlichen Stellen verändert und an den entsprechenden Mutationsstellen zielgerichtet Spin-Marker chemisch gebunden. Diese Spin-Marker basieren auf dem Metallion Gd³⁺, welches mit einem Chelatkomplex fest an das Protein gebunden ist. Weiterhin konnten wir zeigen, dass diese Metallionen als DNP-Polarisationsmittel für die spezifische Hyperpolarisation von Kernspins innerhalb des Proteins verwendet werden können.

In einer aktuellen Studie untersuchen wir den Einfluss der Protonen-Konzentration auf die direkte DNP von Kernspins in Gd-DOTA-Ubiquitin. Durch Deuterierung des Proteins während der rekombinanten Expression ist die gezielte Variation des Isotopen-Verhältnisses von Protonen und Deuteronen möglich. Hierdurch lassen sich die Spin-Diffusions- sowie die Kreuzrelaxationsrate von ¹³C und ¹⁵N beeinflussen. Dies ermöglicht zum einen eine signifikante Vergrößerung des direkten DNP-Verstärkungsfaktors, zum anderen konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass direkte DNP prinzipiell zur Messung von Abständen zwischen Elektronen- und Kernspins verwendet werden kann. Diese Ergebnisse werden in naher Zukunft veröffentlicht.

Ribonukleoproteine sind Komplexe bestehend aus Proteinen und RNA. Das prominenteste Beispiel für ein Ribonukleoprotein ist das Ribosom, welches aus mehreren Ribonukleinsäuren und Proteineinheiten besteht und eine essentielle Rolle in der Genexpression spielt. Ribonukleoproteine bilden oft sehr komplexe Strukturen aus und übernehmen spezifische, essentielle Aufgaben in der Zelle. Um die Funktionsweise dieser Komplexe zu verstehen ist die Kenntnis der Struktur notwendig. Die Forschung an Ribonukleoproteinen ist hochaktuell und von großer Bedeutung.

Die snoRNAs sind nicht-codierende Nukleinsäuren, die an der Prozessierung und Modifikation anderer RNA, sowie an der genetischen Prägung beteiligt sind. Generell sind zwei Typen an snoRNAs zu unterscheiden: die box H/ACA und die box C/D. box H/ACA und box C/D snoRNA assoziieren mit unterschiedlichen Proteinen, was eine spezifische Erkennung der Zielstruktur ermöglicht. Die C/D snoRNA dient vor allem als guide-RNA bei der 2’-O-Methylierung der Ribose, während die H/ACA snoRNAs als guide-RNA für rRNA und snRNA während der Pseudouridylierung dient.

Die sogenannte C/D box ist ein Komplex aus mehrerern Proteinen und zwei snoRNAs die als Gerüst für den Komplex dienen (siehe Abbildung). Die zwei snoRNAs haben jeweils komplementäre Sequenzen und bilden Basenpaare an den Positionen, genannt C und D, aus. Die C/D box wird für die methylierung von guide-RNA, was notwendig für den Schutz oder Modifizierung katalytischer und funktioneller RNA Moleküle notwendig ist. Weiterhin wird die Fehlfunktion der C/D box mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht. Einige Beispiele hierfür sind Diabetes oder das Prader Willie Syndorm, welches durch eine Genmutation verursacht wird. 

In der Kooperation mit der Universität Hannover (Alexander Marchanka) untersucht unsere Gruppe die mögliche Anwendung von DNP auf solch komplexe Biomoleküle. Hierbei erwies sich vor allem die Methode von SCREAM-DNP als geeignet.

Die dynamische Kernspinpolarisation (DNP) an biologischen Systemen ist experimentell herausfordernd. Zum einen wird ein typisches DNP-Experiment bei Temperaturen um 100 K durchgeführt, weswegen biomolekulare Komplexe gegen Kältedenaturierung geschützt werden müssen. Dies geschieht meist durch Zugabe von Glycerol. Dabei muss sichergestellt werden, dass Glycerol keinen Einfluss auf die Faltung und die Funktion des Biomoleküls hat. Weiterhin kommt es bei der Untersuchung von biomolekularen Komplexen oft zu spektralen Signalüberlappung, da Biomoleküle aus ähnlichen Bausteinen wie Aminosäuren (im Fall von Proteinen) oder Nukleotiden (im Fall von Nukleinsäuren) bestehen welche untereinander eine ähnliche chemische Umgebung aufweisen. Aus diesen Gründen entwickeln wir DNP-Methoden, die es erlauben, spezifisch und systematisch Teile von biomolekularen Komplexen zu untersuchen. 

Ribonukleinsäuren (RNAs) dienen nicht nur der Translation des genetischen Codes in Proteine, sondern übernehmen auch eine Vielzahl anderer Aufgaben in Zellen. Trotz des einfachen Aufbaus, bestehend aus nur vier unterschiedlichen Nukleotiden basierend auf Adenosin, Guanosin, Cytosin und Uridin, ist die Vielfalt der RNAs immens. Allgemein wird zwischen den codierenden und den nicht-codierenden RNA (ncRNA) unterschieden. Während die codierende messenger RNA (mRNA) in ein Protein umgeschrieben wird, erfüllen ncRNAs unterschiedlichste regulatorische Aufgaben in der Zelle. Einige Beispiele für ncRNAs sind die riobosomale RNA (rRNA) und die transfer RNA (tRNA), die für die Genexpression notwendig sind, die miRNA (mikroRNA), die eine wichtige Rolle bei der Chromatinumlagerungen spielt, die siRNA (small interfering RNA), welche Modifikationen an Histonen ausüben kann, die snRNA (small nuclear RNA), welche am Prozess des Spleißens in eykariotischen Organismen beteiligt ist oder die snoRNA (small nucleolar RNA), die für die Prozessierung und Modifikation von Ribonukleinsäuren notwendig ist. Oft findet man ncRNAs in Komplexen mit Proteinen, den sogenannten Ribonukleoproteinen (RNPs). Eine weitere Klasse der RNAs sind die sogenannten RNA-Aptamere. Diese werden im Labor für die Bindung eines sehr spezifischen Liganden selektiert und sind vor allem für Anwendungen in der Analytik und Krebsforschung interessant.

Das TC-Aptamer wurde ursprünglich synthetisiert um die Wechselwirkungen zwischen dem Antibiotikum Tetracyclin und RNA zu analysieren, konnte jedoch nach weiteren Modifikationen für die Regulation der Genexpression oder des Spleißens verwendet werden (Suess et al., Nucleic Acids Res. 2003, 31,1853). Tetracyclin besitzt drei Methylgruppen und wird mit sehr hoher Affinität von der RNA gebunden. Da die RNA in der unmodifizierten Form keine Methylgruppen trägt, ist das TC-Aptamer ein optimales System, um SCREAM-DNP zu untersuchen. Hierfür wurde Tetracyclin mit magnetisch aktiven Kohlenstoff-13-Kernen (¹³C) angereichert und diente somit als das methyltragende Spionmolekül (siehe Abschnitt SCREAM-DNP). Bindet dieses an die RNA, kommt es zur Ausbildung von charakteristischen NMR-Signalen des RNA-Aptamer-Komplexes, welche isoliert und damit von dem ungewünschten Hintergrund unterschieden werden kann. Werden die experimentellen Bedingungen allerdings so gewählt, dass das Aptamer das Tetracyclin-Molekül nicht binden kann, bleiben diese spezifischen Signale aus (siehe Abbildung).

Diese Studie wurde 2019 in der Angewandten Chemie (Aladin et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4863) veröffentlicht, wofür Victoria Aladin mit dem GDCh-Ernst-Preis ausgezeichnet wurde. Die Studie dient als Demonstration der Verwendung von SCREAM-DNP zur selektiven Untersuchung biomolekularer Komplexe. Durch die hohe Spezifität dieser Methode können diese Komplexe auch neben anderen Bestandteilen einer Mischung eindeutig spektral isoliert werden.

Das Hammerkopf-Ribozym ist ein struktureller Baustein eines Teils des Genoms vieler pflanzlicher Viren. Infolge der Infektion einer Wirtszelle führt das HHRz eine enzymatische Spaltungsreaktion durch, die die Replikation der viralen RNA ermöglicht. Für diese Spaltungreaktion muss eine spezifische Bindungsstelle mit divalenten Ionen (z.B. Mg²⁺ oder Mn²⁺ besetzt werden. Lange Zeit war unklar, welche strukturellen Veränderungen durch diese Koordination ausgelöst werden; allerdings konnten Martick und Scott vor einiger Zeit zeigen dass das divalente Ion wohl keinen Einfluss auf die Kristallstruktur des HHRz hat (Scott et al., Prog. Mol. Biol. Transl. Sci., 2013, 120, 1). Vor kurzem konnten wir diese Hypothese durch DNP-verstärkte MAS-NMR bestätigen. Sowohl in Anwesenheit als auch in Abwesenheit von Mg²⁺ zeigen sich in 2D-Korrelationsspektren (¹⁵N-¹³C-TEDOR) die gleichen Tertiärkontakte zwischen zwei RNA-Stammschleifen durch nicht-kanonische reverse Hoogsteen-Basenpaarung. Dies deutet darauf hin, dass auch in Lösung die spezifische Bindung von Mg²⁺ die strukturellen Populationen nicht signifikant beeinflusst (Daube et al., Solid State Nucl. Magn. Reson. 2019, 101, 21).

Weiterhin haben wir die Möglichkeit demonstriert, Mn²⁺ als Polarisationsmittel zu verwenden um ortsspezifische DNP durchzuführen. Dies ist insofern hochinteressant, dass kein exogenes Polarisationsmittel (z.B. Nitroxid) der Probenlösung hinzugefügt werden muss; DNP erfolgt mittels eines endogen gebundenen Metallions im inneren des Biomoleküls (Wenk et al., J. Biomol. NMR 2015, 63, 97).

Häufig stößt NMR auf Grund der geringen Empfindlichkeit an Grenzen. Dies bedeutet, dass die Signalstärke nicht ausreichend ist, um die atomare Struktur zu ermitteln. Durch die moderne Methode der dynamischen Kernspinpolarisation (DNP) kann die Empfindlichkeit von NMR drastisch gesteigert werden. Doch auch mit der Verstärkung durch DNP ist die gezielte Strukturanalyse von bestimmten Biomolekülen sehr schwierig, insbesondere, wenn diese z.B. in ihrem natürlichen Umfeld, d.h. neben vielen anderen zellulären Bestandteilen vorliegen und davon unterschieden werden müssen.

Um dieses Problem zu lösen, setzen wir in unserer Forschung eine Methode ein, die wir SCREAM-DNP (Specific Cross Relaxation Enhancement by Active Motions) genannt haben. Durch den Einsatz methyltragender „Spionmoleküle“ können große Biomoleküle ganz gezielt polarisiert werden, z.B., wenn diese in Form von Liganden spezifisch durch ein Protein- oder RNA-Molekül gebunden werden. Diese Methode ist nicht nur beim Nachweis einer Bindung zwischen einem Liganden und einem Biomolekül äußerst nützlich, sondern ermöglicht auch das Ausfiltern aller spektralen Signale von anderen (nicht mit dem Spionmolekül gebundenen) Bestandteilen.

Die Übertragung der Polarisation von einem Elektronenspin auf einen Kernspin durch DNP kann auf direkte oder indirekte Weise geschehen. Bei der direkten Polarisation (Abbildung (A), blaue Pfeile) wird die Polarisation von dem Elektronspin direkt auf den Kohlenstoffspin übertragen. Bei der indirekten Polarisation geschieht die Polarisationsübertragung durch einen Zwischenschritt, bei dem die Polarisation zunächst auf die Protonen übertragen wird und erst anschließend auf die Kohlenstoff-Kerne (Abbildung (A), rote Pfeile). Sind nun in der untersuchten Probe aktive Methylgruppen vorhanden, treten sowohl der direkte Polarisationsweg, als auch der indirekte Polarisationsweg, verursacht durch die schnelle Rotation der Methylgruppen (Kern-Overhauser-Effekt), auf. Dabei resultiert der direkte Transferweg in positiven Signalen und der indirekte Transfer in negativen. Das Spektrum enthält also sowohl positive als auch negative Anteile (Abbildung (B),DP, lila). Um nun ausschließlich die Umgebung in der Nähe der Methylgruppen untersuchen zu können, müssen die positiven und die negativen Anteile des Spektrums getrennt werden können. Dazu kann eine Pulssequenz verwendet werden, bei der durch Sättigungspulse (Abbildung (A) τ_sat ) der indirekte Transferweg unterdrückt wird. Somit erhält man für dieses Experiment nur den positiven Anteil, welcher durch die direkte Polarisation verursacht wurde (Abbildung (B), DP_sat, blau). Durch anschließende Subtraktion von Spektrum DP und DP_sat erhält man ausschließlich die Anteile des indirekten Transferwegs, verursacht durch die schnelle Rotation der Methylgruppen (Abbildung (B), ΔDP_sat. Dieses Spektrum enthält dann Informationen über die Umgebung der Methylgruppen. Abbildung (C) zeigt die schematische Darstellung des direkten und indirekten Polarisationsweges am Beispiel von Glycin, dass keine Methylgruppe trägt und Alanin, dass genau eine Methylgruppe trägt und damit SCREAM-aktiv ist.