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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
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Multidimensional SpectroscopyLaboratory (MSL)Korea Basic Science InstituteDecember, 2008
Protein Structure Determination: Tools and Comparison Advantages and Limitations Researchers use a variety of tools to probe protein function and interactions, with drug discovery the major goal One of seven research fields “Large-scale protein folding and 3-D structure studies” Advantages Restrictions Molecular crystal & Low time- resolution X-ray crystallo- graphy High spatial resolution Low time- resolution 2D-NMR Solution 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)
Structure space (m) XRD MDS 10-9 NMR EM VIS optical diffraction limit TRS 10-6 OM 10-3 Dynamics time (sec) 10-3 10-15 10-6 10-9 10-12
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
Nonlinear optical spectroscopy: Experimental setup spectrometer echo time coh. time pop. time 1 2 3 4 t T t spherical mirror 4=LO 1 2 3 sig sample 4 OD3 3 1&2 2 3&4 1 diffractive optic (DO) delay 2 delay 1
Multidimensional Spectroscopy Laboratory (MDSL) H-bond making H-bond breaking kb
H. Rhee, Y.-G. June, J.S. Lee, K.-K. Lee, J.-H. Ha, Z.-H. Kim, S.-J. Jeon, M. Cho NATURE, in press (2008)
Detailed experimental schemes and Results Femtosecond spectra interferograms Vibrational circular dicrhoism Vibrational optical rotatory dispersion
Femtosecond Difference Frequency Spectroscopy Novel Vibrational Optical Activity Measurement Technique
Major achievements1. 2D IR photon echo setup(아시아 유일의 실험장비)Chemical Reviews (108, 1331, 2008): IF = 262. 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
(세부목표명) 성과지표명 ’08 ’09 ’10 ’11 ’12 다차원 분광기 개발 다차원분광기 개발 온도 점프 장치 개발 두 색 다차원 및 새로운 시퀀스 분광기 개발 다차원 분광분석 시스템 개발 적외선 다차원 실험기법 개발 순간 여기 다차원 실험기법 개발 Pulse shaping에 의한 다차원 실험 기법 개발 생체분자 동역학 분석기술 개발 단순 펩타이드계에 대한 동역학 분석기술 개발 복잡 단백질에 대한 동역학 분석기술 개발 Products 첨단 분석기기 개발 기술확보 수월적 연구 성과 최첨단 레이저 분석 기술 확보
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 Spectrophotometer개발
생명 현상의 이해 분자수준에서의 구조-활성 연관성 연구 • 독립된 생체분자의 구조/동역학 연구 • 수십나노미터 수준의 생체 군집의 구조/활성 • 비선형 다차원 분광학의 이론 및 실험적 연구 • 화학선택적 이미징이 가능한 분광학적 현미경 실험 • Multidimensional spectroscopy with time-space resolution • 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 proteinaggregation process Proteinfolding DNA and RNA dynamics
Molecular Motion Pictures AGAIN! Novel Spectroscopic Techniques (KBSI-Seoul Center) • 2D IR spectroscopy • fs CD and ORD • Experimentally demonstrated • 3. fs optical activyt-DFG • New proposal M. Cho, “Spectroscopy, Molecular Motion Pictures”, Nature 444, 431 (2006) M. Cho, “Coherent two-dimensional optical spectroscopy, Chem. Rev. 108, 1331 (2008)