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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0

2

4

( )2 2 Im

( )

E

E

a b c2800 2900 3000

VC

D (

theo

ry)

Wavenumber (cm-1)

(R)-form

0

2800 2900 3000

VC

D (

theo

ry)

Wavenumber (cm-1)

(R)-form

0

(R)-form (S)-form Racemic(R)-form (S)-form Racemic

( )2 Re

( )

E

E

Wavenumber (cm-1)

(VO

RD

) 1

05(r

ad.)

A (

VC

D) 1

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( )S

2840 2880 2920 2960

0

Inte

nsi

ty

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