English
 
User Manual Privacy Policy Disclaimer Contact us
  Advanced SearchBrowse

Item

ITEM ACTIONSEXPORT

Released

Thesis

Vibrational Spectroscopy of Glycans in Helium Nanodroplets

MPS-Authors
/persons/resource/persons183295

Mucha,  Eike
Molecular Physics, Fritz Haber Institute, Max Planck Society;

External Ressource
No external resources are shared
Fulltext (public)

215031.pdf
(Any fulltext), 25MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Mucha, E. (2020). Vibrational Spectroscopy of Glycans in Helium Nanodroplets. PhD Thesis, Radboud University, Nijmegen.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0005-B186-B
Abstract
A central theme among the glycosciences is the Janus-faced nature ofglycans. Their tremendous structural diversity enables a myriad ofbiological functions ranging from energy storage to molecular recogni-tion processes. But at the same time, this structural diversity poses aformidable challenge for glycan analysis that impedes the full develop-ment of structural glycobiology. In contrast to genomics and proteomics,glycomics lacks generic sequencing methods that allow reliable, high-throughput analyses with low sample consumption. Instead, a variety ofsophisticated methods is used for glycan analysis, including mass spec-trometry. A general challenge using mass spectrometry alone, however,is the unambiguous identification of isomeric glycans. Therefore, it isoften coupled to orthogonal techniques, such as liquid chromatography.In the last two decades, the combination of mass spectrometry andgas-phase action spectroscopy emerged for glycan analysis. Variouschallenges, however, limited gas-phase spectroscopy to smaller glycans.In particular, the thermal activation of ions during the measurement ininfrared multiple-photon dissociation spectroscopy leads to significantline-broadening, which limits the amount of structural information thatcan be obtained by this method.This work overcomes these limitations by combining mass spectrom-etry and cryogenic vibrational spectroscopy using superfluid helium nanodroplets. The unique low-temperature environment of heliumdroplets allows the acquisition of vibrational spectra in the absenceof significant thermal contributions. A systematic study of isomericglycans demonstrates the outstanding resolving power that provides avariety of well-resolved absorption bands that are unique to each isomer:a true spectral fingerprint. The unique optical signatures allow theresolution of even minute structural details, such as the stereochemicalorientation of a single hydroxy group.The exceptional ability of this method to resolve structural detailswas used to investigate an elusive rearrangement reaction, called fu-cose migration, which frequently leads to the detection of misleadingfragment ions and erroneous sequence assignments in tandem massspectrometry. Because fucose migration was only observed in fragmentions, it was strictly associated with the fragmentation process. In thiswork, cryogenic vibrational spectroscopy reveals that fucose migrationis not restricted to fragment ions, and instead occurs in intact ions aswell. These results generalize fucose migration to a universal issue inmass spectrometry as a whole.In another study, the combination of cryogenic vibrational spec-troscopy and first-principles theory was used to unravel the structureof glycosyl cations, the key intermediates during chemical glycosyla-tion reactions. Various reaction pathways were postulated many yearsago, but the exact structure of glycosyl cations remained obscure dueto their short-lived and reactive nature in the condensed phase. Inthis work, the fragmentation of precursor ions was used to generateglycosyl cations in the gas phase, which provides a unique clean-roomenvironment that stabilizes these transient intermediates. The highlyresolved vibrational spectra obtained for various glycosyl cations allowan in-depth structural analysis that reveals detailed insights into the two fundamental structural motifs that enable stereoselective glycosylationreactions: neighboring group participation and remote participation.These results facilitate the mechanistic understanding of glycosylationreactions and will eventually lead to a more rational design of buildingblocks that is based on structural rather than anecdotal evidence.
Een centraal thema in de glyco-wetenschappen is het dubbele karaktervan glycanen. Enerzijds maakt de enorme structurele diversiteit vanglycanen een groot aantal biologische functies mogelijk, variërend vanenergieopslag tot moleculaire herkenningsprocessen. Maar tegelijkertijdvormt deze structurele diversiteit een enorme uitdaging voor de ana-lyse van glycanen, wat de ontwikkeling van structurele glycobiologiebelemmert. In tegenstelling tot genomics en proteomics, ontbreekthet glycomics aan een generieke sequentiemethode die betrouwbare,high-throughput analyses van kleine hoeveelheden glycanen mogelijkmaakt. In plaats daarvan wordt een verscheidenheid aan geavanceerdemethoden gebruikt, waaronder massaspectrometrie. Met uitsluitendmassa-spectrometrische methoden, is een eenduidige identificatie vanverschillende isomeren van glycanen echter slechts beperkt mogelijk.Daarom wordt massaspectrometrie vaak gekoppeld aan orthogonale tech-nieken, zoals vloeistofchromatografie. In de laatste twee decennia is ookde combinatie van massaspectrometrie met gasfase-actiespectroscopieopgekomen voor glycaan analyse. Deze combinatie is tot dusver metname gebruikt voor de analyse van kleinere glycanen. In het bijzonderleidt de thermische activering van ionen gedurende infrarood multifotondissociatie spectroscopie tot een significante lijnverbreding, hetgeen de hoeveelheid structurele informatie beperkt die met deze methodeverkregen kan worden.Het onderzoek beschreven in dit proefschrift lost deze beperkingenop door massaspectrometrie te combineren met cryogene vibratiespec-troscopie, gebruikmakend van superfluïde helium nanodruppels. Delage temperatuur in de heliumdruppels maakt de opname van vibratie-spectra mogelijk in afwezigheid van significante thermische bijdragen.Een systematische studie van isomere glycanen toont het uitstekendeoplossend vermogen van deze techniek. De spectra bevatten volledigopgeloste absorptiebanden die uniek zijn voor een specifiek isomeer:een echte spectrale vingerafdruk. Deze spectra maken een identificatiemogelijk van zeer subtiele structurele details, zoals de stereochemie vaneen enkele hydroxygroep.Het uitzonderlijke vermogen van deze methode om structurele de-tails te onderscheiden is gebruikt om een lastige migratie-reactie, dezogenaamde fucose migratie, te onderzoeken. Deze migratie-reactie leidtvaak tot de detectie van misleidende fragmentionen en foutieve sequen-tietoewijzingen in tandem massaspectrometrie. Omdat fucose migratiealleen werd waargenomen in fragmentionen, werd het enkel geassoci-eerd met het fragmentatieproces. Zoals beschreven in dit proefschrift,onthult cryogene vibratiespectroscopie dat fucose migratie niet beperktis tot fragmentionen maar dat dit ook voorkomt in intacte ionen. Dezeresultaten maken duidelijk dat fucose migratie een universele kwestie isin de massaspectrometrie.In een andere studie is de combinatie van cryogene vibratiespectro-scopie en ab initio theorie gebruikt om de structuur van glycosylkationen,de belangrijkste tussenproducten tijdens chemische glycosyleringsreac-ties, te ontrafelen. Verschillende reactiepaden zijn vele jaren geledengepostuleerd, maar de exacte structuur van glycosylkationen bleef onduidelijk vanwege hun kortstondige en reactieve aard in de gecondenseerdefase. In dit werk is de fragmentatie van precursor-ionen gebruikt omglycosylkationen te genereren in de gasfase. Dit creëert een unieke“clean-room” omgeving die deze tijdelijke tussenproducten stabiliseert.De vibratiespectra verkregen voor verschillende glycosylkationen makeneen diepgaande structurele analyse mogelijk. Dit onthult gedetailleerdeinzichten in de twee fundamentele structurele motieven die stereoselec-tieve glycosyleringsreacties mogelijk maken: participatie van naburigegroepen en participatie op afstand. Deze resultaten maken een mecha-nistisch begrip van glycosyleringsreacties mogelijk en zullen uiteindelijkleiden tot een rationeler ontwerp van de benodigde bouwstenen, geba-seerd op structureel in plaats van anekdotisch bewijs.