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Multidimensional Spectroscopy Laboratory (MSL) Korea Basic Science Institute December, 2008. I NTRODUCTION & B ACKGROUND. Protein Structure Determination: Tools and Comparison Advantages and Limitations. Researchers use a variety of tools to probe - PowerPoint PPT Presentation
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Multidimensional Spectroscopy
Laboratory (MSL)
Korea Basic Science Institute
December, 2008
INTRODUCTION &
BACKGROUND
Researchers use a variety of tools to probe protein function and interactions, with drugdiscovery the major goal One of seven research fields “Large-scale protein folding and 3-D structure studies”
X-ray crystallo-
graphy
2D-NMR
Advantages Restrictions
High spatialresolution
Solution
Molecularcrystal &Low time-resolution
Low time-resolution
Protein Structure Determination: Tools and ComparisonProtein Structure Determination: Tools and ComparisonAdvantages and LimitationsAdvantages and Limitations
M. Cho, Chem. Rev. 108, 1331 (2008)M. Cho, Chem. Rev. 108, 1331 (2008)
High speed photography“Recording optical or electro-optical information with adequately short exposures and fast enough framing rates for an event to be evaluated
with a temporal and dimensional resolution which satisfies the experimenter”
Eadweard Muybridge (1887)
Molecular Motion Pictures
M. Cho, Nature 444, 431 (2006)
Structurespace (m)
Dynamicstime (sec)
10-9
10-6
10-3
10-3 10-6 10-9 10-12 10-15
XRD
EM
OM
NMRMDS
TRSVIS optical diffraction limit
High Competition&
state-of-the-art
Experimental Labs World-wide
International: R. Hochstrasser (U. Penn)
G. R. Fleming (U. California Berkeley)
M. D. Fayer (Stanford)
A. Tokmakoff (MIT)
M. Zanni (U. Wisconsin Madison)
P. Hamm ( U. Zurich)
+ 10 research labs
Asia:None
Domestic:KBSI
Experimental Setups (KBSI)
2D photon echo spectrometer
(the only facility in Asia)
1
2
3
4
delay 1delay 2
1 2
3 4
1&2
3&4
diffractiveoptic (DO)
sample
sphericalmirror
spectrometer
1 2 3 sig4=LO
coh.time
pop.time
echotime
T t
OD3
Nonlinear optical spectroscopy: Experimental setup
2D photon echo experimental scheme2D photon echo experimental scheme
Multidimensional Spectroscopy Laboratory (MDSL)Multidimensional Spectroscopy Laboratory (MDSL)
Multidimensional Spectroscopy Laboratory (MDSL)Multidimensional Spectroscopy Laboratory (MDSL)
C
O
N
H
CH3H3C
HO
Me
O
HMe
C
O
N
H
CH3H3C
HO
Me
HO
Me
O
HMe
k
b
H-bond making
H-bond breaking
Femtosecond CD and ORD
spectrometer(novel technique)
H. Rhee, Y.-G. June, J.S. Lee, K.-K. Lee, J.-H. Ha, Z.-H. Kim, S.-J. Jeon, M. ChoNATURE, in press (2008)
H. Rhee, Y.-G. June, J.S. Lee, K.-K. Lee, J.-H. Ha, Z.-H. Kim, S.-J. Jeon, M. ChoNATURE, in press (2008)
-5
0
5
2840 2880 2920 2960-4
-2
0
2
4
( )2 2 Im
( )
E
E
a b c2800 2900 3000
VC
D (
theo
ry)
Wavenumber (cm-1)
(R)-form
0
(R)-form (S)-form Racemic
( )2 Re
( )
E
E
Wavenumber (cm-1)
(VO
RD
) 1
05(r
ad.)
A (
VC
D) 1
05
( )S
2840 2880 2920 2960
0
Inte
nsi
ty
Wavenumber (cm-1)
( )S
Inte
nsity
0
A
B
C
-5
0
5
2840 2880 2920 2960-4
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E
E
a b c2800 2900 3000
VC
D (
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ry)
Wavenumber (cm-1)
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0
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VC
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Wavenumber (cm-1)
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E
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Wavenumber (cm-1)
(VO
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VC
D) 1
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2840 2880 2920 2960
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Inte
nsi
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Wavenumber (cm-1)
( )S
Inte
nsity
0
A
B
C
Femtosecond spectra
interferograms
Femtosecond spectra
interferograms
Vibrational circular
dicrhoism
Vibrational circular
dicrhoism
Vibrational optical
rotatory dispersion
Vibrational optical
rotatory dispersion
LP5SMC
InSb
PM
ZnSe
CaF2
Boxcaraverager
Lock-inamplifier
Stagecontroller
LP1
LP2
WP
PS2
C
LP4
LP3
mid-IR pulsefrom OPA
PS1
MRS
LP5SMC
InSb
PM
ZnSe
CaF2
Boxcaraverager
Lock-inamplifierLock-in
amplifier
Stagecontroller
LP1
LP2
WP
PS2
C
LP4
LP3
mid-IR pulsefrom OPA
PS1
MRS
Detailed experimental schemes and Results
Detailed experimental schemes and Results
Time-resolved CD and ORD in femtosecond timescale!Time-resolved CD and ORD in femtosecond timescale!
Femtosecond Difference Frequency SpectroscopyNovel Vibrational Optical Activity Measurement Technique
Femtosecond Difference Frequency SpectroscopyNovel Vibrational Optical Activity Measurement Technique
Major achievements
1. 2D IR photon echo setup( 아시아 유일의 실험장비 )
Chemical Reviews (108, 1331, 2008): IF = 26
2. Femtosecond vibrational CD and ORD( 세계 최초의 장비 및 실험 , 국내 - 국제 특허 출원 )
Nature, in press (2008)J. Chem. Phys. 129, 094507 (2008)
3. Novel nonlinear spectroscopyTime-resolved DFG (Chirality!)
Nonlinear optical imaging
Vision and Plans
Long term projects
’08 ’09 ’10 ’11
’12
다차원 분광기 개발
다차원 분광분석 시스템 개발
Products
생체분자 동역학 분석기술 개발
수월적 연구 성과 최첨단 레이저 분석 기술 확보 첨단 분석기기 개발 기술확보
다차원분광기 개발다차원분광기 개발
온도 점프 장치 개발온도 점프 장치 개발
적외선 다차원 실험기법 개발적외선 다차원 실험기법 개발
순간 여기 다차원 실험기법 개발순간 여기 다차원 실험기법 개발
Pulse shaping 에 의한 다차원 실험 기법 개발Pulse shaping 에 의한 다차원 실험 기법 개발
두 색 다차원 및 새로운 시퀀스 분광기 개발두 색 다차원 및 새로운 시퀀스 분광기 개발
단순 펩타이드계에 대한 동역학 분석기술 개발단순 펩타이드계에 대한 동역학 분석기술 개발
복잡 단백질에 대한 동역학 분석기술 개발복잡 단백질에 대한 동역학 분석기술 개발
( 세부목표명 )
성과지표명
전략적 미래융합과학 연구 프로젝트 중 신규 전략적 융합 과학과제
- 타 출연 ( 연 ) 과 차별화 및 타 지역 센터와 차별화 연구 지원사업
- 전문사업단으로 발전을 지향하는 미래 지향적인 융합 과학 과제 육성
다차원 나노 비 선형분광 및 생체 동역학
(Multi-dimensional Nonlinear Spectro-Microscopy and BioDynamics)
비 선형광학 , 분광학 ( 기존의 물리 , 화학 ) + Microscope (NT) + 생체물질 , 현상 (BT)
세계 최고 수준의 생체 동역학 연구를 위한 Nonlinear Spectrophotometer 개발
Ultimate goals
생명 현상의 이해
분자수준에서의 구조 - 활성 연관성 연구
1) 독립된 생체분자의 구조 /동역학 연구
2) 수십나노미터 수준의 생체 군집의 구조 /활성
1) 비선형 다차원 분광학의 이론 및 실험적 연구
2) 화학선택적 이미징이 가능한 분광학적 현미경 실험
1. Multidimensional spectroscopy with time-space resolution
2. Biostructure and Biodynamics
• In summary 다차원 분광법에 대한 실험법과 데이터 해석법의 확립을 통하여
단백질 ,
핵산과 같은 생화학물질의 구조와 동역학 연구법 개발
Chemical exchange and reaction dynamics
Protein folding
protein aggregation process
DNA and RNA dynamics
Molecular Motion Pictures AGAIN!
M. Cho, “Spectroscopy, Molecular Motion Pictures”, Nature 444, 431 (2006)M. Cho, “Coherent two-dimensional optical spectroscopy, Chem. Rev. 108, 1331 (2008)
Novel Spectroscopic Techniques
(KBSI-Seoul Center)
Novel Spectroscopic Techniques
(KBSI-Seoul Center)
1. 2D IR spectroscopy2. fs CD and ORD Experimentally demonstrated
3. fs optical activyt-DFG New proposal
1. 2D IR spectroscopy2. fs CD and ORD Experimentally demonstrated
3. fs optical activyt-DFG New proposal
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