SPR-NMR方法：选择性增强或过滤出感兴趣的核磁信号

一、背景介绍

  固体NMR借助魔角旋转（Magic-angle spinning, MAS）技术削弱或消除偶极耦合等各向异性相互作用，实现了固体NMR谱的高分辨。但是，与偶极耦合相关的结构及动力学等信息也会在MAS下丢失。施加特定的射频脉冲照射，干扰MAS对偶极耦合的平均作用，主动地恢复偶极耦合，这一方法被称为偶极重耦。偶极重耦是固体NMR建立相关谱、测量距离和分析动力学的核心。偶极重耦方法的种类和形式多样。根据其有效的频率范围，偶极重耦方法可被大致分为宽带（Broadband）、频带选择（Band-selective）和频率选择（Frequency-selective）等三类（图1）。不同的重耦方法适用于不同研究目标，例如，对于13C标记的蛋白质，宽带方法可用于建立13C-13C全相关，频带选择方法用于建立脂肪碳的13C-13C相关，而频率选择方法则主要用于建立特定残基或基团的13C-13C相关。

图1. 重耦方法按重耦效率与频率偏置（offset）的关联可分为宽带（Broadband）、频带选择（Band-selective）和频率选择（Frequency-selective）重耦。从左至右分别为SPC-521、PR5和SPR-51在10 kHz转速下的模拟图，红色表示重耦效率高。

二、研究内容

中科院精密测量科学与技术创新研究院的杨俊课题组发展了一类全新的具有频率选择性的同核偶极重耦方法SPR-Nn（Selective Phase-optimized Recoupling）（图2）。SPR方法在理论上可实现任意自旋间的选择性同核重耦，弥补了旋转共振（Rotational Resonance）只能实现化学位移差为m*νR（m为整数）的核自旋间的选择性重耦的缺陷。

图2. SPR-Nn脉冲方法。在SPR-Nn中，n个转动周期包含了N个脉冲对，射频场强度ν1 = (P/π)*(N/n)*νR（νR为魔角旋转频率，τR为转动周期，N和n为正整数）。

在SPR实验中，发射机中心放置在两个核的共振峰的中间即可实现重耦，建立两核的相关。相对于常用的方法（图3A），SPR仅通过改变13C发射机的中心频率，就可以非常简便地在13C全标记样品中有选择地建立13Cα-13Cβ相关、13Cβ-13Cγ相关或者13Cγ-13Cδ相关（图3B-D）。

图3. U-15N, 13C标记formyl-Met-Leu-Phe三肽的2D 13C-13C相关谱，分别用DARR（A）和SPR-51（B-D）重耦方法获得。SPR-51的13C发射机中心频率分别设置在46.5（B）、28.9（C）和19.3（D）ppm。

SPR主要用于选择性增强或过滤出感兴趣的核磁信号。在150 kHz超高转速下，SPR-54和SPR-56可用于选择性地增强全质子化样品中的1H-1H相关信号。相对于常用的RFDR宽带方法，SPR方法能够将特定的1H-1H相关信号增强2-6倍，有助于距离或结构分析（图4A）。在~ 10 kHz中低转速下，SPR-51与双量子滤波技术的结合可实现13C-13C相关谱的编辑，从复杂的膜蛋白中过滤出丙氨酸（Alanine）、丝氨酸（Serine）或苏氨酸（Threonine）的信号，从而简化谱图分析（图4B）。基于平均哈密顿的理论分析表明：SPR重耦的频率选择性主要来源于两个自旋的偶极双量子项和化学位移和项的作用。通过改变SPR中脉冲p的长度，作者实现了可控的频率选择性（即任意改变重耦的频率带宽），并完成了系统的理论描述及实验验证。

图4. 基于SPR 1H-1H重耦（A）和13C-13C重耦（B）的脉冲序列及2D相关谱。SPR分别实现了对U-15N, 13C标记formyl-Met-Leu-Phe三肽中1HN-1HN相关的选择性增强（A），实现了对AqpZ膜蛋白中的丙氨酸（Alanine）、丝氨酸（Serine）或苏氨酸（Threonine）信号的选择性观测（B）。

SPR是一个系统的研究。张正逢等首先建立了SPR方法，并展示了其在150 kHz超高转速下1H-1H相关实验中的良好效果，相关工作于2020年发表在Journal of Physical Chemistry Letters上，论文标题是“Selectively Enhanced 1H-1H Correlations in Proton-Detected Solid State NMR under Ultrafast MAS Conditions”。随后，张正逢和博士研究生肖航等完成了SPR在谱编辑中的应用，在理论上发现了脉冲p对SPR重耦的频率选择性的调控作用，相关工作于2021年分别发表在Journal of Biomolecular NMR和Journal of Chemical Physics上。杨俊研究员和张正逢副研究员是3项研究工作的通讯作者。

这些研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目和中国科学院的资助。

三、相关文献

1. Z.F. Zhang*, A. Oss, M.L. Org, A. Samoson, M.Y. Li, H. Tan, Y.C. Su, J. Yang*, Selectively Enhanced H-1-H-1 Correlations in Proton-Detected Solid-State NMR under Ultrafast MAS Conditions, J. Phys. Chem. Lett., 11 (2020) 8077-8083. (https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c02412)

2. H. Xiao, Z.F. Zhang*, Y.X. Zhao, J. Yang*, Spectral editing of alanine, serine, and threonine in uniformly labeled proteins based on frequency-selective homonuclear recoupling in solid-state NMR, J. Biomol. NMR, 75 (2021) 193-202. (https://doi.org/10.1007/s10858-021-00367-9)

3. H. Xiao, Z.F. Zhang*, J. Yang*, Theory of frequency-selective homonuclear dipolar recoupling in solid-state NMR, J. Chem. Phys., 155 (2021) 174105. (https://doi.org/10.1063/5.0065396)