Biomolecular Ions in Superfluid Helium Nanodroplets

Abstract

The function of a biological molecule is closely related to its structure. As a result, understanding and predicting biomolecular structure has become the focus of an extensive eld of research. However, the investigation of molecular structure can be hampered by two main difficulties: the inherent complications that may arise from studying biological molecules in their native environment, and the potential congestion of the experimental results as a consequence of the large number of degrees of freedom present in these molecules. In this work, a new experimental setup has been developed and established in order to overcome the afore mentioned limitations combining structure-sensitive gas- phase methods with superfluid helium droplets. First, biological molecules are ionised and brought into the gas phase, often referred to as a clean-room environment, where the species of interest are isolated from their surroundings and, thus, intermolecular interactions are absent. The mass-to- charge selected biomolecules are then embedded inside clusters of super uid helium with an equilibrium temperature of 0.37 K. As a result, the internal energy of the molecules is lowered, thereby reducing the number of populated quantum states. Finally, the local hydrogen bonding patterns of the molecules are investigated by probing specic vibrational modes using the Fritz Haber Institute's free electron laser as a source of infrared radiation. Although the structure of a wide variety of molecules has been studied making use of the sub-Kelvin environment provided by super uid helium droplets, the suitability of this method for the investigation of biological molecular ions was still unclear. However, the experimental results presented in this thesis demonstrate the applicability of this experimental approach in order to study the structure of intact, large biomolecular ions and the rest vibrational spectrum of the protonated pentapeptide leu-enkephalin embedded in helium droplets has been recorded. The experimental results show well resolved spectra, which are in good agreement with theoretical calculations. Moreover, the weakly interacting nature of helium droplets is confirmed by the excellent agreement obtained with the available gas-phase data. Using standard gas-phase mass spectrometry techniques allows to study the molecular ions as a function of charge state. As a result, the role of the interplay between Coulomb repulsion and hydrogen bonding in the secondary structure of the target molecules can be investigated. For this purpose, the infrared spectra of the proteins ubiquitin and cytochrome c embedded in helium droplets were recorded. The experimental results are interpreted in terms of a charge-induced unzipping of the proteins, where a structural transition from helical into extended C5-type hydrogen bonded structures occurs. This interpretation is supported by simple energy considerations, as well as by quantum chemical calculations on model peptides. The transition in secondary structure observed here is most likely universal for isolated proteins in the gas phase. Embedding positively charged ions inside helium droplets also offers the possibility to directly investigate the intrinsic properties of helium droplets. One fundamental characteristic of helium droplets is their unique ability to pick up the species with which they collide. In order to gain more insight into this process, the presence of an electrical charge was used to accelerate and detect the ion-doped droplets as a function of the mass and size of the dopant. A systematic investigation of the pick-up probability demonstrates the existence of a dopant dependent minimum droplet size below which no pick-up occurs. As a result, different hypotheses and theoretical models are proposed and discussed in order to shed more light into the constraints and limitations of the pick-up process.

Die Struktur und Funktion von Biomolekulen sind eng miteinander verknupft und bilden den Schwerpunkt eines umfangreichen Forschungsgebiets. Insbesondere die Bestimmung und Vorhersage biomolekularer Strukturen ist hierbei von groer Bedeutung, um ein Verständnis über molekulare Prozesse zu erlangen. Allerdings kann das Erforschen dieser Strukturen durch zwei Hauptfaktoren erschwert werden: Zum einen kann die naturliche biologische Umgebung durch ihre komplexen Eigenschaften Komplikationen hervorrufen; zum anderen kann die Größe Anzahl an Freiheitsgraden dieser Molekule zu einer Uberlagerung in den experimentellen Ergebnissen führen. In dieser Arbeit wurde ein neuer Versuchsaufbau entwickelt, der struktursensitive Methoden der Gasphasenanalytik mit dem Ansatz der suprafluiden Heliumtröpfchen-Methode kombiniert, um die zuvor erwahnten Einschrankungen zu uberwinden. Hierfür werden die Biomoleküle zunächst ionisiert und in die Gasphase, die eine einzigartige Reinraumumgebung darstellt, transferiert. Die nun von ihrer ursprunglichen Umgebung isolierten Moleküle sind frei von intermolekularen Wechselwirkungen. Dies erlaubt eine detaillierte Untersuchung ihrer intrinsischen Struktureigenschaften. Anschließend werden die Biomoleküle nach ihrem Massezu- Ladungs-Verhaltnis selektiert und konnen von suprafluiden Heliumtröpfchen aufgenommen werden. Die eingebetteten Ionen werden nun auf die Gleichgewichtstemperatur des Tröpfchens von 0.37 K abgekühlt, wodurch ihre interne Energie und somit die Anzahl der besetzten Quantenzustande verringert wird. Mithilfe des IR Freie-Elektronen-Lasers des Fritz-Haber-Instituts konnen schließlich charakteristische Molekülschwingungen untersucht werden, die Ruckschlusse auf das lokale Netzwerk von Wassersto bruckenbindungen zulassen. Zwar wurden die Eigenschaften einer Vielzahl von Molekulen bereits in der sub- Kelvin-Umgebung von suprafluiden Heliumtröpfchen erforscht, allerdings war bis dato unklar, ob sich dieser experimentelle Ansatz auch auf Biomoleküle ubertragen lasst. Die in dieser Arbeit vorgestellten experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch eindeutig, dass sich diese Methode zur Strukturuntersuchung groer, intakter Biomoleküle eignet. Unter den präsentierten Ergebnissen bendet sich das erste Schwingungsspektrum des protonierten Pentapeptids Leu- Enkephalin das mit der Heliumtröpfchen-Methode aufgenommen wurde. Die hochaufgelösten experimentellen Spektren stimmen gut mit theoretischen Berechnungen uberein. Weiterhin konnte durch die hervorragende Übereinstimmung mit literaturbekannten Daten die schwache Wechselwirkung der Heliumtröpfchen bestätigt werden. Standardtechniken der Massenspektrometrie ermöglichen es, molekulare Ionen in der Gasphase als Funktion ihres Ladungszustands zu untersuchen und so die Auswirkungen des Zusammenspiels von Coulomb-Abstoßung und Wassersto bruckenbindungen auf die Sekundärstruktur der Zielmoleküle zu erforschen. Zu diesem Zweck wurden Infrarotspektren der in Heliumtröpfchen eingebetteten Proteine Ubiquitin und Cytochrom c aufgenommen. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich als Coulomb-induzierter Übergang aus einer hauptsächlich helikalen in eine gestreckte Sekundärstruktur interpretieren, welche durch C5-Wassersto bruckenbindungen gekennzeichnet ist. Diese Deutung wird durch ein simples elektrostatisches Modell sowie durch quantenmechanische Berechnungen an Modellpeptiden unterstutzt. Dieser Ubergang der Sekundärstruktur ist aller Voraussicht nach fur isolierte Proteine wie sie in der Massenspektrometrie auftreten allgemeingultig. Des Weiteren wird durch das Dotieren mit positiv geladenen Ionen ermoglicht die intrinsischen Eigenschaften der Heliumtröpfchen direkt zu untersuchen. Ein grundlegendes Merkmal von Heliumtropfchen ist ihre einzigartige Fähigkeit, Moleküle durch Kollisionen aufzunehmen. Um einen genaueren Einblick in diesen Prozess zu erlangen, wurden Beschleunigungsexperimente der geladenen ionendotierten Heliumtropfchen durchgefuhrt, wobei diese in Abhangigkeit der Masse und Große der eingebetteten Ionen detektiert werden. Eine systematische Untersuchung der Aufnahmewahrscheinlichkeit zeigt die Existenz einer vom Dotanden abhangigen Mindestgroe der Tropfchen, unterhalb derer die Aufnahme des Molekuls ausbleibt. Anhand dieser Beobachtungen werden verschiedene Hypothesen sowie theoretische Modelle vorgeschlagen und diskutiert, um die Einschrankungen und Grenzen dieses Aufnahmeprozesses weiter zu beleuchten.