BDPA radicals for DNP-NMR and a new method for RNA spin-labeling

Abstract

Dynamic nuclear polarization (DNP) is a powerful approach for overcoming the low sensitivity of nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and has extensive applications in the study of both materials and biological systems. Electron paramagnetic resonance (EPR) and fluorescence spectroscopy are highly important complementary techniques and are particularly valuable for studying nucleic acid structure and dynamics. The broader application of these methods, however, depends on the availability of suitable polarizing agents and site-specific spectroscopic probes, respectively. This thesis focuses on the development of 1,3 bisdiphenylene-2-phenylallyl (BDPA)-based polarizing agents for DNP-NMR and a facile spin labeling strategy for nucleic acids. The first part describes the development of tailored BDPA derivatives for high-field DNPNMR. The synthesis of the key precursor, tetrabromo BDPA, was first optimized. A tetraazide-BDPA building block was subsequently prepared, enabling conjugation to a variety of alkynes via copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition. Using this strategy, four BDPA derivatives with varied polarity, size, and steric shielding were prepared. Of these, a BDPA-dendrimer derivative exhibited enhanced persistence and superior DNP performance, achieving the highest liquid-state DNP enhancement reported to date in viscous solutions. The second part describes a noncovalent RNA spin labeling strategy based on helical stacking of small RNA hairpins, containing the rigid spin label Çm, on RNA duplexes. Complementary overhangs promoted efficient hairpin-duplex stacking, monitored by EPR spectroscopy. In addition, collaborative projects involving incorporation of rigid and semirigid spin labels and fluorophores in nucleic acids to study their structure, dynamics and interactions with proteins using EPR and fluorescence spectroscopies, are recounted.Mögnun á kjarnskautun (e. dynamic nuclear polarization, DNP) er aðferð sem er notuð til að auka næmni kjarnsegulgreininga (e. nuclear magnetic resonance, NMR) og er afar mikilvæg fyrir rannsóknir á föstu efni og líffræðilegum sameindum. Litrófsgreiningar sem byggja á rafeindasegulgreiningu (e. electron paramagnetic resonance, EPR) og flúrljómun eru sömuleiðis mjög mikilvægar til að greina byggingu og hreyfingu kjarnsýra. Almenn notkun þessara aðferða er þó háð aðgengi að hentugum skautunarefnum (e. polarizing agent) fyrir DNP-NMR og sértækum spunamerkjum fyrir EPR. Þessi ritgerð lýsir hönnun og efnasmíði á 1,3-bistvífenýlen-2-fenýlallýl (BDPA)-afleiddum skautunarefnum fyrir DNPNMR, auk nýrrar og einfaldrar aðferðar til spunamerkinga á kjarnsýrum. Fyrri hlutinn lýsir þróun sérhannaðra BDPA-afleiða fyrir DNP-NMR í sterku segulsviði. Efnasmíði forverans, tetrabrómó-BDPA, var fyrst bestuð. Þar næst var tetraazíð-BDPA afleiða smíðuð, sem getur tengst ýmsum alkýnum með koparhvötuðum asíð-alkýn smellihvörfum. Þessi aðferð var notuð til efnasmíða á fjórum BDPA-afleiðum, með mismunandi skautun, stærð og rúmhindrun. Af þeim efnum sýndi greinótt BDPA-afleiða aukinn stöðugleika og betri DNP-eiginleika en áður þekktust. Þessi afleiða gaf hæstu DNP mögnun í seigfljótandi lausnum til þessa. Síðari hlutinn lýsir aðferð til spunamerkingar kjarnsýra með ósamgildum tengjum. Aðferðin byggir á stöflun RNA hárnála (e. hairpin), sem innihalda stífa spunamerkið Çm, á RNA tvíliður. Samsvarandi (e. complementary) hangandi endar (e. overhangs) stuðluðu að skilvirkri RNA-RNA stöflun, sem var staðfest með EPR litrófsgreiningu. Auk þess er öðrum samstarfsverkefnum lýst, þar sem bygging og hreyfing kjarnsýra var rannsökuð, ásamt víxlverkunum við prótein, með notkun spuna- og flúrljómunarmerkja ásamt litrófsgreiningu