Dr. Manfred Wagner

Manfred Wagner erhielt 1988 sein Diplom in Chemie an der Universität Mainz in der Gruppe von Prof. K. Müllen und promovierte 1993 am MPI-P zum Thema "Repetitive Diels-Alder-Reaktion zum Aufbau von Bandstrukturen". Von 1990 bis 2002 war er als Projektleiter für die Entwicklung von zwei- und dreidimensionalen kohlenstoffhaltigen Materialien (graphenartige sowie dendritische Molekülstrukturen) mitverantwortlich. Ebenfalls seit 1990 ist er zuständig für die hochauflösende NMR-Abteilung des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung. Seine Hauptthemen neben der Untersuchung der Mikrostruktur von Makromolekülen (z.B. Polymere oder Biomoleküle) sind alle Arten von aktiven Kernen wie ¹H, ⁷Li, ¹¹B, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁷O, ¹⁹F, ²⁷Al, ²⁹Si und ³¹P Kerne (und viele andere Kerne) und ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften/Interaktionen in den letzten 33 Jahren.

Forschungsinteressen

Von chemischen Reaktionen zu Materialien und deren Eigenschaften: Studien der MPIP NMR Core Facility

Als zerstörungsfreie Charakterisierungsmethode, die In-situ-Messungen ermöglicht, ist die NMR-Spektroskopie in den letzten 63 Jahren zu einer Methode von zentraler Bedeutung für Physiker, Chemiker und Biologen geworden. Die NMR-Spektroskopie ist unverzichtbar für die vollständige strukturelle Charakterisierung neuer organischer Moleküle sowie für die Verfolgung ihrer Reaktionskinetik (z. B. Polymerisationen) durch In-situ-NMR-Messungen. Bei anorganischen Komplexen beispielsweise erlauben uns optimierte NMR-Experimente, ihre molekulare Struktur zu verstehen und ihre elektronischen Eigenschaften zu messen. Darüber hinaus ist es auch möglich, die dreidimensionale Struktur biologischer Makromoleküle, z. B. von Proteinen, Proteinfragmenten oder DNA-Derivaten, sowohl unter natürlichen als auch unter gezielt kontrollierten Bedingungen (pH-Wert, Wasser, Salze usw.) zu bestimmen. Ein weiteres Beispiel für phasenübergreifende NMR-Untersuchungen, die die NMR-Methode bietet, ist die Analyse von Sol-Gel-Reaktionen an Wasser/Öl-Grenzflächen, bei der die Hydrolyse und indirekt auch die Kondensation verschiedener Silanspezies in Abhängigkeit von der Zeit durch hochauflösende ¹H-NMR-Spektroskopie in situ quantitativ verfolgt werden kann. Darüber hinaus werden auch Hetero-Core-NMR-Experimente verwendet, um entweder die innere Struktur von Silikatpartikeln mit ²⁹Si-Lösungs-NMR oder ²⁹Si-Festkörper-NMR (MAS) zu verstehen. Hier kommt die Vielseitigkeit der NMR-Methode zum Tragen, die Messungen in verschiedenen Phasen (Festkörper, Gel, Flüssigkeit) zulässt.

Wichtigste Errungenschaften: Verständnis um Molekülfunktionen und der Wechselwirkung in verschiedenen Phasen, Struktur/Materialeigenschaften, neue Ansätze zur Quantifizierung von Systemen.

Enträtselung der Selbstorganisation, Aggregation, Gelierung und Fibrillierung von Peptiden/Nukleotiden

NMR-Untersuchungen erlauben es mit einer breiten Vielfalt an Experimenten zum Beispiel die temperaturabhängige Selbstorganisationskinetik von biologisch inspirierten Systemen auf Peptidbasis zu verstehen. Diese Materialien erscheinen typischerweise als zusammengesetzte Strukturen bei Raumtemperatur. Aufgrund der kurzen T₂-Zeiten der assemblierten Zustände kann keine gute spektrale Auflösung der NMR-Signale erreicht werden. Mit steigender Temperatur wird der Assemblierungsprozess jedoch destabilisiert und Dissoziationsprozesse erhöhen die lokale molekulare Mobilität, so dass einzelne Molekülsignale detektierbar werden. Insbesondere bei kinetischen Messungen ist die Messzeit, um ein für die quantitative Analyse ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, eine große Einschränkung.

In Zukunft werden wir versuchen, die verschiedenen Strukturen innerhalb der komplexen Mischungen in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit, pH-Wert und anderen Parametern zu quantifizieren.

Wichtigste Errungenschaften: Verständnis der Initiierung der selbstassemblierenden Systeme, reduzierte Beweglichkeit und NMR-Signale, Korrelation von T, pH, c, t und anderen.

2.2 Makromoleküle, Proteine und Wirkstoffe

NMR-Techniken bieten Einblicke in biochemische Prozesse, auch in komplexen molekularen Umgebungen. Aufgrund des Vorhandenseins vieler protischer Verbindungen kann die ¹H-NMR-Spektroskopie allein nicht die erforderlichen Informationen über die chemischen Reaktionen liefern, und häufig ist eine Isotopenanreicherung (z. B. ¹³C- oder ¹⁵N-markierte Aminosäuren oder Zucker) der Zielmoleküle erforderlich. Unter diesen Bedingungen ist Fluor ein "idealer" Markierungskern für die Untersuchung von Reaktionen in komplexen und/oder lebenden Systemen. Organische Fluoride sind in lebenden Organismen nur in sehr geringen Mengen vorhanden, was die Aufnahme von nahezu hintergrundfreien ¹⁹F-NMR-Spektren erlaubt, die viele Möglichkeiten bieten, denn:

- C-F-Bindungen sind unter physiologischen Bedingungen inert

- Fluor hat einen kleinen Atomradius

- ¹⁹F ist der zweitempfindlichste, nicht radioaktive Kern in der NMR-Spektroskopie

- Fluor kommt in der Natur isotopisch rein in der NMR-aktiven Form (¹⁹F) vor.

- ¹⁹F hat einen bemerkenswert breiten chemischen Verschiebungsbereich (-300 bis 50 ppm), was eine hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen Veränderungen in der chemischen Umgebung der Markierung verspricht.

Die heteronukleare Overhauser-Effekt-Spektroskopie (¹H-¹⁹F HOESY, Übertragung der Kernspinpolarisation von einer Population spinaktiver Kerne auf eine andere durch Kreuzrelaxation) oder direkte Korrelationsmethoden durch Bindungen (2D ¹H-¹⁹F COSY) ermöglichen es, Fluoratome als empfindliche "Antenne" zu nutzen, um Veränderungen in einer komplexen chemischen Umgebung zu überwachen, was für mehrere neue Projekte in den Gruppen von Katharina Landfester und Tanja Weil wichtig sein wird.

In Zukunft planen wir, die ¹H-¹⁹F-Methoden auf STD-NMR-Ansätze (Sättigungs-Transfer-Differenz-NMR-Spektroskopie) auszuweiten, um mögliche Wechselwirkungen von Arzneimitteln/kleinen Molekülen mit größeren Strukturen wie Proteinen oder anderen Makromolekülen aufzuklären und sie zu modifizieren und zu entwickeln, um zelluläre Funktionen zu verändern.

Wichtigste Errungenschaften: ¹⁹F-Sensor in Proteinen, Sättigungsexperimente im Fluor-Frequenzbereich um Wechselwirkungen zu verstehen.

Ausgewählte Publikationen