Magnetfelder können das Wachstum von Proteinkristallen auf verschiedene Arten beeinflussen. In homogenen Magnetfeldern richten sich einzelne Moleküle und vor allem größere Kristallite aufgrund ihrer magnetischen Anisotropie in Richtung des Magnetfeldes aus. In stark inhomogenen Magnetfeldern erfahren diamagnetische Substanzen eine abstoßende und paramagnetische Substanzen eine anziehende Kraft zu Orten kleinerer bzw. größerer Feldstärke. Bei ausreichend starken Inhomogenitäten lässt sich daher für diamagnetische Proteine ein der Mikrogravitation und für paramagnetische Proteine ein der Hypergravitation vergleichbarer Zustand auf der Erde herstellen. Insbesondere für die Proteinkristallisation in homogenen Magnetfeldern und die Kristallisation diamagnetischer Proteine in inhomogenen Magnetfeldern wird in der Literatur über einen positiven Effekt auf die Kristallqualität berichtet.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung des Effektes der Proteinkristallisation in Magnetfeldern auf die Kristallqualität durchgeführt. Die Bestimmung der Kristallqualität erfolgte dabei durch Bestimmung der Mosaizität mittels hochaufgelöster Röntgenbeugung. Von einigen Kristallen wurden zudem Intensitätsdatensätze aufgezeichnet. Eine statistische Auswertung der Daten erfolgte durch Wilcoxon-Rangsummentests.
Eine Untersuchung des Effektes homogener Magnetfelder von 5 T , 8.8 T und 15.8 T auf die Kristallqualität erfolgte an den diamagnetischen Proteinen Thaumatin, Trypsin und Lysozym sowie an paramagnetischem Myoglobin. Während für die diamagnetischen Proteine kein deutlicher Effekt zu erkennen ist, sind die Myoglobin Kristalle aus dem Magnetfeld bis zu 14 mal größer als die Kristalle der Kontrollgruppe und weisen signifikant kleinere Mosaizitäten auf. Die Kristalle aus dem Magnetfeld beugten zudem zu deutlich höheren Auflösungen als der beste in der Literatur beschriebene Datensatz. Zum Erreichen stark inhomogener Magnetfelder wurden für einen Elektromagneten spezielle Polschuhe berechnet und konstruiert. Der Aufbau erlaubt die Magnetolevitation kleiner Mengen Wasser und von Lösungen diamagnetischer Proteine. Dies war bisher nur mit Bitter - oder supraleitenden Magneten möglich.
Der Effekt der Kristallisation in einer der Mikrogravitation vergleichbaren Umgebung wurde an den diamagnetischen Proteinen Lysozym und Insulin untersucht. Mosaizitätsmessungen zeigen jedoch, wenn überhaupt einen leicht negativen Effekt der Kristallisation in inhomogenen Magnetfeldern auf die Kristallqualität. In inhomogenen Magnetfeldern kristallisierte paramagnetische Myoglobinkristalle weisen eine signifikant höhere Mosaizität auf und zeigen bereits unter dem Polarisationsmikroskop deutliche Störungen.
Zusammenfassend konnte festgestellt werden, dass die Kristallisation von Proteinen mit einer großen magnetischen Anisotropie wie z.B. Myoglobin eine vielversprechende Methode zu einer deutlichen Verbesserung der Kristallqualität darstellt.
Magnetic fields can affect protein crystal growth in several ways. In homogeneous magnetic fields molecules and crystallites lign up themselves along the magnetic field direction due to their magnetic anisotropy. Inhomogeneous magnetic fields exert a force on diamagnetic and paramagnetic compounds towards regions of lower or higher field strength. This effect can be used to create a microgravity-like environment for diamagnetic proteins and an environment comparable to hypergravity for paramagnetic proteins. Crystallization in homogeneous magnetic fields and a microgravity-like environment are reported to have a positive effect on crystal quality.
The aim of this work was to systematically investigate the effect of protein crystallization in magnetic fields on the crystal quality by comparing a large number of crystals grown under identical conditions with- and without magnetic fields. Crystal quality was determined by means of high resolution rocking-curve measurements. Furthermore in certain cases complete diffraction datasets were collected. Any possible influence of magnetic fields on the mosaicity and the quality of the diffraction data was evaluated statistically by applying Wilcoxon-ranksum tests.
To investigate the effect of protein crystallization in homogeneous magnetic fields the diamagnetic proteins Thaumatin, Trypsin, and Lysozyme and paramagnetic Myoglobin were crystallized in magnetic fields of 5 T, 8.8 T and 15.8 T. The analysis of crystal mosaicity and quality of the diffraction data of the diamagnetic proteins did not reveal a significant influence on the crystal quality. In contrast the crystals of paramagnetic Myoglobin grew up to 14 times larger than the ones in the control experiment. In addition they had a significant lower mosaicity, and diffracted to a higher resolution than ever reported before.
Special pole pieces for an existing magnet were designed and build to grow protein crystals in an inhomogeneous magnetic field. The experimental setup generates gradients of up to 1400 T2/ m, which were previously only realized with Bitter- and superconducting magnets. It levitates microliter amounts of water and diamagnetic proteins in solution.