Praca doktorska
Ładowanie...
Nuclear magnetic resonance methods for the analysis of complex mixtures
| dc.abstract.en | Nowadays, a rapidly expanding World drives the development and elaboration of new techniques and methods for fast and efficient analysis. Also, NMR spectroscopy, adapting to the market, wants to keep up with the changes and offers modern experimental solutions. One of today’s needs is the profiling of mixtures. NMR spectroscopy allows their fast and efficient analysis without needing the physical separation of components. However, measurement has to take into account many issues and fine-tune the details. I propose to divide mixtures according to the problems encountered during their analysis. The mixtures portrayed in my dissertation have common denominators: • Mixtures with complicated composition due to the presence of conformers and isotopomers; • Mixtures of a biological nature, with components that hinder analysis because of high peaks overlap; • Mixtures with a dynamically changing composition, whose spectra change due to a chemical reaction carried out directly in the NMR tube or due to the titration-based ligand binding studies; • Mixtures whose spectra are crowded and additional techniques, such as deconvolution, had to be used to aid analysis; • Mixtures whose spectra are affected by temperature or pH change. On the one hand, this enabled the development of additional techniques to support their assignment. On the other hand, for some, this had to be taken into account when designing measurements; • Mixtures with a low concentration of some components whose spectra require sensitivity enhancement. The core of my work consists of six articles published in peer-reviewed journals. They contain a detailed account of the obtained results, conclusions, perspectives, and a thorough comparison with the experiment: 1. Monitoring a reaction causing the resonance frequencies to vary in time. In traditional measurements, this variation causes resolution and sensitivity loss and hampers the detection of transient products’ peaks. I introduced an original approach to correct these non-stationary 2D NMR signals and raise the detection limits. I demonstrate the success of its application in studying the complex reaction mechanism of a radical nature. 2. Usage of NMR experiments combined with computational methods to identify key structural features of S-adenosylmethionine in water. In the dissertation, I discuss the problems associated with NMR-based analysis in deeper detail. The analyzed mixture of conformers provided complex spectra. To analyze their efficiently and determine molecular structure, several measurement conditions had to be optimized. 3. The use of a novel method to overcome the time-consuming NMR-based protein investigation with titration that is non-stationary complementary non-uniform sampling (NOSCO NUS) combined with a robust particle swarm optimization algorithm. We showed its potential in two challenging studies of proteins with different sizes and binding affinities. NOSCO NUS can reduce measurement times and make NMR titration studies more widely usable. 4. 1H NMR-based temperature measurements of metabolomic mixtures and obtaining the temperature coefficients (TCs) of the ingredients (small molecules). I proved that these TCs are characteristic and reproducible between various biological mixtures. I obtained TCs by traditional peak-picking of all spectra in the series and, alternatively, using the Radon transform. The results were comparable, but the Radon transform opened the way to a sensitivity boost in more demanding cases. 5. The proposition of an extension of the 2D Radon spectra analysis (from the previous point) by a U-Net neural network-based peak-picker with a user-friendly graphical interface. We show the software tests on three demanding variable-temperature data sets. Our software deals with peak overlap, low signal-to-noise ratios, and complex multiplet structures. I was responsible for the testing of the program and conceptual design of its interface based on my experience with Radon based mixture analysis. 6. A combination of 1D and 2D single- and triple-quantum techniques to assign all signals in post reaction mixture (unreacted substrates, main products, and side products). This assignment may help analyze the mixtures containing numerous ammonia borane derivatives, which often give overlapping signals that are hard to distinguish. The results published in all six articles forming the core of my dissertation raise the possibility of further development of the proposed methods. Therefore, many prospects for their future use arise. |
| dc.abstract.en | W dzisiejszych czasach szybko rozwijający się Świat napędza rozwój i opracowywanie nowych technik i metod pozwalających na szybką i efektywną analizę. Również spek- troskopia NMR, dostosowując się do rynku, chce nadążyć za zmianami i oferuje nowoczesne rozwiązania eksperymentalne. Jedną z dzisiejszych potrzeb jest profilowanie mieszanin. Spektroskopia NMR pozwala na ich szybką i efektywną analizę bez konieczności fizycznego rozdzielania składników. Pomiar musi jednak uwzględniać wiele zagadnień i dopracować szczegóły. Proponuję podział mieszanin ze względu na problemy napotykane podczas ich analizy. Mieszaniny przedstawione w mojej rozprawie mają wspólne mianowniki: • Mieszaniny o skomplikowanym składzie ze względu na obecność konformerów i izotopomerów; • Mieszaniny o charakterze biologicznym, ze składnikami utrudniającymi analizę ze względu na duże nakładanie się pików; • Mieszaniny o dynamicznie zmieniającym się składzie, których widma zmieniają się w wyniku reakcji chemicznej przeprowadzonej bezpośrednio w probówce NMR lub w wyniku badań oddziaływania ligand-białko opartych na metodzie miareczkowania; • Mieszaniny, których widma są zatłoczone i dla wspomagania analizy konieczne było zastosowanie dodatkowych technik, np. dekonwolucji; • Mieszaniny, na których widma ma wpływ temperatura lub zmiana pH. Z jednej strony umożliwiło to opracowanie dodatkowych technik wspomagających ich przypisanie. Z drugiej strony, dla niektórych musiało to być uwzględnione przy projektowaniu pomiarów; • Mieszaniny o niskim stężeniu niektórych składników, których widma wymagają zwiększenia czułości. Trzon mojej pracy stanowi sześć artykułów opublikowanych w recenzowanych czasopismach. Zawierają one szczegółowe przedstawienie uzyskanych wyników, wnioski, perspektywy oraz dokładne porównanie z eksperymentem: 1. Monitorowanie reakcji powodującej zmianę częstości rezonansowych w czasie. W tradycyjnych pomiarach zmienność ta powoduje utratę rozdzielczości i czułości oraz utrudnia wykrywanie pików produktów przejściowych. Demonstruję sukces jego zastosowania w badaniu złożonego mechanizmu reakcji o charakterze rodnikowym. 2. Wykorzystanie eksperymentów NMR połączonych z metodami obliczeniowymi do identyfikacji kluczowych cech strukturalnych S-adenozylometioniny w wodzie. W pracy doktorskiej głębiej omawiam problemy związane z analizą opartą na spekroskopii NMR. Analizowana mieszanina konformerów dostarczyła złożonych widm. W celu ich efektywnej analizy i określenia struktury molekularnej należało zoptymalizować kilka warunków pomiarowych. 3. Wykorzystanie nowatorskiej metody przezwyciężenia czasochłonności badania białek opartego na spektroskopii NMR z wykorzystaniem metody miareczkowania, którą jest niestacjonarne komplementarne niejednorodne próbkowanie (ang.: Non- Stationary Complementary Non-Uniform Sampling; NOSCO NUS) w połączeniu z efektywnym algorytmem optymalizacji, tzw. swarm optimization algorithm. Pokazaliśmy jego potencjał w dwóch wymagających badaniach białek o różnych rozmiarach i powinowactwach wiązania. NOSCO NUS może skrócić czas pomiaru i sprawić, że badania NMR z wykorzystaniem metody miareczkowania będą miały szersze zas tosowanie. 4. Pomiary próbek mieszanin metabolomicznych w zmiennej temperaturze w oparciu o widma 1H NMR i otrzymanie współczynników temperaturowych (TCs) ich składników (małych cząsteczek). Udowodniłam, że te TCs są charakterystyczne i powtarzalne pomiędzy różnymi mieszaninami biologicznymi. TCs uzyskałam poprzez tradycyjną analizę przesunięć chemicznych pików na wszystkich widmach w serii oraz alternatywnie, przy użyciu transformaty Radona. Wyniki były porównywalne, ale transformata Radona otworzyła drogę do zwiększenia czułości w bardziej wymagających przypadkach. 5. Propozycja rozszerzenia analizy dwuwymiarowych widm Radona (z poprzedniego punktu) o oparty na sieci neuronowej U-Net tzw. peak-picker z przyjaznym dla użytkownika interfejsem graficznym. Pokazujemy testy oprogramowania na trzech wymagających zestawach danych zarejestrowanych w zmiennej temperaturze. Nasze oprogramowanie radzi sobie z nakładaniem się pików, niskim stosunkiem sygnału do szumu oraz złożonymi strukturami multipletów. Byłam odpowiedzialna za testy programu i koncepcyjny projekt jego interfejsu w oparciu o moje doświadczenie w analizie mieszanin opartej na transformacie Radona. 6. Połączenie technik 1D oraz jedno- i trójkwantowych technik 2D w celu przypisania wszystkich sygnałów w mieszaninie poreakcyjnej (nieprzereagowanych substratów, produktów głównych i produktów ubocznych). Takie przypisanie może pomóc w analizie widm mieszanin zawierających liczne pochodne amoniakalne boranu, które często dają nakładające się sygnały trudne do rozróżnienia. Wyniki opublikowane we wszystkich sześciu artykułach, stanowiących trzon mojej rozprawy doktorskiej, podnoszą możliwość dalszego rozwoju proponowanych metod. Pojawia się zatem wiele perspektyw ich przyszłego wykorzystania. |
| dc.affiliation.department | Wydział Chemii |
| dc.contributor.author | Nawrocka, Ewa |
| dc.date.accessioned | 2023-06-12T10:11:35Z |
| dc.date.available | 2023-06-12T10:11:35Z |
| dc.date.defence | 2023-06-20 |
| dc.date.issued | 2023-06-12 |
| dc.description.additional | Link archiwalny https://depotuw.ceon.pl/handle/item/4611 |
| dc.description.promoter | Kazimierczuk, Krzysztof |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/4611 |
| dc.language.iso | en |
| dc.rights | ClosedAccess |
| dc.subject.en | temperature coefficients |
| dc.subject.en | variable-temperature NMR (VT-NMR) spectroscopy |
| dc.subject.en | metabolomics |
| dc.subject.en | titration-based ligand binding studies |
| dc.subject.en | Radon transform |
| dc.subject.en | chemical reaction monitoring |
| dc.subject.en | mixture analysis |
| dc.subject.en | Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR spectroscopy) |
| dc.subject.en | współczynniki temperaturowe |
| dc.subject.en | zmienno-temperaturowa spektroskopia NMR (VT-NMR) |
| dc.subject.en | metabolomika |
| dc.subject.en | badania wiązania ligand-białko oparte na miareczkowaniu |
| dc.subject.en | transformata Radona |
| dc.subject.en | monitorowanie reakcji chemicznych |
| dc.subject.en | analiza mieszanin |
| dc.subject.en | spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (spektroskopia NMR) |
| dc.title | Nuclear magnetic resonance methods for the analysis of complex mixtures |
| dc.title.alternative | Metody magnetycznego rezonansu jądrowego do analizy złożonych mieszanin |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |