NMR relaxation in biomolecules over orders of magnitude of magnetic field

Relaxation par RMN multi-champs dans les biomolécules

• Auteur / Autrice : Nicolas Bolik-Coulon
• Direction : Fabien Ferrage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 28/06/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des biomolécules (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Carine Van Heijenoort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Ferrage, Carine Van Heijenoort, Arthur G. Palmer III, Malcolm H. Levitt, Sereina Riniker, Jean-Nicolas Dumez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arthur G. Palmer III, Malcolm H. Levitt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

Résonance magnétique nucléaire

Relaxation

Dynamique des protéines

RMN multi-champ

Nuclear magnetic resonance

Nuclear spin relaxation

Protein dynamics

Multiple-field NMR

Résumé

La relaxation des spins nucléaires est un phénomène fondamental en Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Au cours d’une expérience, elle conduit à des pertes de polarisation affectant la qualité des spectres. Afin de développer de nouvelles séquences d’impulsion, il est essentiel de prendre en compte ses effets, voire de les optimiser, comme dans le cas des expériences de type TROSY (Transverse Relaxation Optimized SpectroscopY). Après une brève introduction à la théorie de la relaxation en phase liquide, nous détaillons comment cette théorie a été implémentée dans le but de calculer efficacement les vitesses de relaxation d’un grand nombre de systèmes de spins. La théorie de la relaxation nous a permis de comprendre le spectre de groupes méthyl dans la protéine Ubiquitine, et enregistré avec une évolution zéro quantum à bas champs et une détection à haut champs en utilisant un spectromètre RMN à deux champs. Cela nous a conduits à étendre le champ d’application de la théorie du methyl-TROSY. Par ailleurs, nous avons introduit le concept de TROSY à deux-champs. Il repose non seulement sur la sélection d’opérateur de spin ayant des propriétés de relaxation favorables, mais également sur la sélection adéquate des champs magnétiques pour l’évolution sous l’effet du déplacement chimique tout en conservant la sensibilité des hauts champs pour la détection. La mesure des vitesses de relaxation, constitue un outil de choix pour la caractérisation de la dynamique sur des échelles de temps allant de la pico- à la seconde, et plus. Nous présentons ici des outils pour analyser la dépendance en champs magnétique de vitesses de relaxation enregistrées sur une large gamme de champs magnétiques. Enfin, nous présentons quelques modèles de mouvements prenant en compte la nature des mouvements dans les protéines. En particulier, nous montrons l’existence d’un mécanisme de relaxation associé à des différences de CSA (Chemical Shift Anisotropy) dans les chaînes latérales aliphatiques.

Nuclear spin relaxation is a fundamental phenomenon in Nuclear Magnetic Resonance (NMR). During the course of an experiment, it leads to polarization losses that can be detrimental to the spectrum quality. Taking spin relaxation into account when developing NMR pulse sequences appears essential, and can reveal itself beneficial, as shown in TRansverse Optimized SpectroscopY (TROSY) type of experiments. After a brief introduction to nuclear spin relaxation theory in liquid, we will detail how it has been implemented to efficiently compute relaxation rates of arbitrary spin systems. Nuclear spin relaxation theory has been used to understand the spectrum of methyl groups in the protein Ubiquitin recorded with zero-quantum evolution at low field and signal detection at high field using a two-field NMR spectrometer. This led us to extend the methyl-TROSY theory beyond its original conditions of application. In addition, we introduced the concept of two-field TROSY which relies not only on the selection of spin quantum operators with favorable relaxation properties, but also on the proper selection of the magnetic field for chemical shift labeling while retaining high-field high-sensitivity detection. Relaxation measurements report on dynamic properties over timescales ranging from pico- to seconds and more is unique. Here, we present tools to analyze the field-dependence of relaxation rates recorded while moving the sample inside the bore of the spectrometer to extend the range of available magnetic fields. Finally, we discuss models of motions adapted to the nature of internal motions in protons. We reveal the existence of a rotamer Chemical Shift Anisotropy (CSA) dependent relaxation mechanism in aliphatic side-chains.