초고감도 제논 NMR의 개발 및 단백질 구조 연구에의 응용
项目来源
项目主持人
项目受资助机构
项目编号
立项年度
立项时间
项目级别
研究期限
受资助金额
学科
学科代码
基金类别
关键词
参与者
参与机构
큰 자기장의 자석을 사용하지 않으면서 NMR의 감도를 대폭 증가시킬 수 있는 방법의 개발은 지금까지 NMR 연구에서 지속적으로 핵심적인 주제가 되어 왔다.이러한 감도 증가 방법의 개발이 성공적일 경우 그 결과는 과학 전반에 걸쳐 큰 파장을 미칠 수 있고,특히 표면 처럼 지금까지 NMR의 영역 밖으로 치부되던 분야나 또는 얻기 힘든 극미량 단백질의 구조 분석 등에 획기적인 전기를 마련할 수 있기 때문에 이를 위한 수많은 노력이 시도되어 왔다.이러한 NMR의 감도 증가는 최근 Berkeley의 Pines교수 그룹에 의해 레이저를 사용하여 Xe 등과 같은 비활성 기체의 핵스핀 편극(polarization)을 수천 배에서 수만 배까지 대폭 증폭시킬 수 있음이 알려지면서 돌파구가 마련되기 시작하였으며,지금은 세계 곳곳의 많은 실험실에서 이러한 레이저를 사용한 비활성 기체 NMR의 개발 및 응용이 시도되고 있다.반면,이 방법이 현재로서는 자석의 세기에 무관하게 NMR의 감도를 크게 증폭시킬 수 있는 거의 유일한 방법임에 틀림이 없으나,아직은 개발의 역사가 짧기 때문에 많은 부분에서 개선되고 개발되어야 할 여지가 남아 있으며 이를 위한 많은 연구를 필요로 하고 있다.본 연구에서는 이러한 레이저에 의한 NMR 신호의 증폭 시스템을 사용하여 NMR 신호를 좀더 효율적으로 증폭시킬 수 있는 방법을 개발하고자 한다.또한,크게 증폭된 Xe의 신호를 다른 핵종(H-1,C-13,N-15)에 전이시켜서 이들 핵종의 NMR 감도를 2차적으로 크게 증폭시키는 효율적인 방법을 찾고자 한다.이렇게 개발된 초고감도 Xe NMR과 고감도 H-1
본 연구에서는 레이저를 사용하여 비활성 기체의 NMR 신호를 증폭시키는데 사용되는 방법인 spin-exchange optical pumping의 물리적인 한계를 극복하여 Xe NMR의 신호를 최대로 증폭시킬 수 있는 방법을 개발하고자 한다.또한 증폭된 Xe NMR 신호를 다른 핵종(수소,탄소,질소 등)에 전이(polarization transfer)시키는 효과적인 방법을 개발함으로서,감도가 크게 증폭된 다른 핵종의 NMR 방법을 개발하고자 한다.Xe의 높은 핸 스핀 편극(polarization)형성에 영향을 미치는 변수는 Rb으로부터 큰(~50%)편극을 얻은 Xe 분자가 용기(pumping cell)의 벽과 충돌함으로서 편극을 잃는 과정인 wall relaxation,레이저 파워 및 Xe 밀도와 연동된 Rb 기체의 밀도,혼합 기체(Xe,He,N2)의 압력 및 조성비 등인데 본 연구에서는 이러한 변수들을 변화시키면서 Xe의 편극을 최대로 증폭시킬 수 있는 방법을 찾고자 한다.이중 가장 중요한 변수는 wall relaxation인데,이의 최소화를 위해 다양한 방법에 의한 용기 벽의 코팅,벽과의 충돌을 완화시킬 수 있는 초고압의 혼합 기체 사용 등의 방법을 시도할 계획이다.또한,지금까지 사용되어온 Rb 대신에 다른 알칼리 금속인 K,Cs 등을 사용함으로서 Xe과의 스핀 교환(spin exchange)효율을 높이는 방법도 시도해 볼 계획이다.다음으로는,이렇게 최적 조건에서 최대로 신호가 증폭된 Xe을 다른 핵종인 수소,탄소,질소 등에 전이시켜서 다른 핵종(H-1,C-13,N-15)의 감도를 크게 증폭시키는 효율적인 방법을 찾고자 한다.이를 위해서는 용액상태에서 핵스핀 사이에 일어나는
본 연구에서 시도하고자 하는 초고감도(Hyperpolarized)Xe NMR과 관련된 국내의 상황은 이제 막 태동을 시작하는 단계이며,아직까지는 본 연구실 이외에는 국내에서 연구가 전무한 실정으로서 국내보다는 외국의 선도 연구 그룹과 경쟁을 해야 하는 입장이다.따라서 본 연구가 성공적일 경우 현재 전 세계적으로 매우 큰 관심을 끌고 있는 초고감도 NMR의 개발 및 응용이 국내에서도 크게 활성화 될 수 있을 것으로 기대된다.또한 초고감도 Xe NMR에서 크게 증폭된 Xe의 감도(sensitivity)는 다른 핵종(H-1,C-13,N-15)으로 스핀 교환(spin-exchange)을 통하여 전이(transfer)됨으로서 다른 핵종의 NMR 감도도 크게 증폭시킬 수 있다.따라서 초고감도 Xe NMR 및 이로부터 파생된 고감도 H-1,C-13,N-15 NMR의 이용은 NMR에 의한 단백질의 삼차원 구조 및 동역학 연구 분야에서 기존의 방법과는 전혀 다른 새로운 접근 방법의 강력한 연구 수단으로 개발될 수 있을 것으로 기대된다.특히 Xenon은 그 고유한 특성상 소수성 환경에 강하게 결합하므로 이러한 특성을 이용하면 단백질의 폴딩(folding)과정에서 생성되는 소수성 환경의 2차 또는 3차 구조에 대한 구조적 정보를 선별적 얻을 수 있기 때문에 본 연구의 결과는 생명현상의 이해에 필수적인 단백질 폴딩 메카니즘의 규명에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.