Fundamental Characterization and Application of Noncovalent Interactions by Combined Instrumental Analysis and Theoretical Studies

Abstract

Noncovalent interactions are the fundamental driving force of diverse chemical phenomena. Understanding noncovalent interactions is important for designing supramolecular complexes, characterizing protein structural stabilities, and investigating ion-neutral collisions for use in fundamental and applied chemistry. In this thesis study, various instrumental analysis techniques were utilized to understand the influence of noncovalent interactions in chemical phenomena and insights from these fundamental studies are applied for effective molecular analysis. In Chapter 1, a background on noncovalent interactions is introduced, and principles of mass spectrometry (MS) and ion mobility spectrometry (IMS), which are the principal analytical techniques used in this study, are reviewed. In Chapter 2, fundamental driving forces of the recognition by cucurbit[7]uril (CB[7]) are studied using isothermal titration calorimetry (ITC), nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and collision-induced dissociation (CID). Insights from the study are applied to selectively enhance the analysis of peptides by MS. It is observed that selective interactions of CB[7] and N-terminal phenylalanine of peptides enhance their ionization by electrospray ionization (ESI) and matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI). Furthermore, these selective interactions promote fragmentation during CID in the gas phase, demonstrating the potential for application in effective peptide analysis. In Chapter 3, the structural transition of protein lysozyme (Lyz) during its transfer from solution to the gas phase via ESI is characterized. Solution-phase structures of Lyz is characterized by small-angle X-ray scattering (SAXS), circular dichroism (CD) spectroscopy, and theoretical modeling, and gas-phase structures are investigated based on its charge state distribution and collision cross section (CCS) distribution. Comparison of the structures of Lyz in both phases reveals that the fundamental driving force that promotes compaction or denaturation of biomacromolecules during ionization is electrostatic interactions. In Chapter 4, the influence of host-guest interaction of cucurbit[6]uril (CB[6]) and CB[7] on the structure of gas-phase ubiquitin ions is investigated. By utilizing two host molecules with highly similar structures but distinct selectivity toward amino acid residues, factors that contribute to stabilization of protein structures during ESI are characterized. In Chapter 5, the influence of van der Waals (vdW) interactions on ion-neutral collisions during IMS is discussed to enable accurate calculation of ion collision cross section (CCS), which is the principal quantity that is used to investigate ion structures in the gas phase. By applying the vdW potential from molecular mechanics force fields (FFs) to calculation of ion CCS, it was possible to understand appropriate representation of vdW potential for accurate CCS calculations and to present a general calculation method that can be applied to ions of differing sizes and composition.

비공유 상호작용은 다양한 화학적 현상을 근본적으로 유발하는 힘이다. 비공유 상호작용을 이해하는 것은 초분자의 설계, 단백질의 구조 안정성 연구, 이온-중성 분자 충돌 등을 기초적으로 이해하고 응용하는 데 중요하다. 본 학위논문 연구에서는 다양한 기기분석 기법들을 이용하여 여러 화학적 현상에서의 비공유 상호작용의 영향을 이해하고, 이러한 이해를 효과적인 분자 분석에 응용하였다. 제 1장에서는 비공유 상호작용에 대한 간단한 소개와 함께 본 학위논문 연구에서 주요하게 이용되는 분석 방법인 질량분석법과 이온이동도 분석법을 소개한다. 제 2장에서는 쿠커비투릴[7]의 화학적 인지 현상의 근본적인 원동력을 등온적정열량측정법, 핵자기공명분광법 및 충돌유도해리법을 이용하여 밝힌다. 이러한 이해를 바탕으로 질량분석법에서 펩타이드 분석을 증진시킬 수 있는 응용법을 제시한다. 연구결과에 따르면 쿠커비투릴[7]과 펩타이드의 N-말단 페닐알라닌의 선택적인 상호작용은 전자분부이온화 및 매트릭스-보조 레이저탈착 이온화 질량분석법에서 이들의 분석을 용이하게 한다. 또한 이러한 선택적인 상호작용은 기체 상 충돌유도해리 또한 더 효과적으로 일어나게 하여 펩타이드 분석에서의 응용 가능성이 높음을 확인할 수 있다. 제 3장에서는 단백질 라이소자임이 전자분무이온화를 통해 용액상에서 기체상으로 전이되는 과정에서의 구조적 변화를 밝힌다. 용액상 라이소자임의 구조는 소각 X-선 산란, 원편광 이색성 분광법 및 이론적인 모델링을 통해 밝히며, 기체상 구조는 그 전하상태 분포 및 충돌단면적 분포를 바탕으로 밝힌다. 두 가지 상에서의 라이소자임 구조 비교 결과를 통해 이온화 과정에서 생체고분자의 구조적 변화를 유발하는 근본적인 힘은 전자기 상호작용임을 확인할 수 있다. 제 4장에서는 쿠커비투릴[6]과 쿠커비투릴[7]의 주인-손님 상호작용이 기체상 유비퀴틴 이온의 구조에 주는 영향을 연구한다. 유사한 구조를 지녔지만 서로 다른 아미노산 잔기에 대해 뚜렷하게 다른 선택성을 지닌 두 주인 분자를 이용함으로써 전자분무이온화 과정에서 단백질의 구조를 안정화하는 요소들을 밝힌다. 제 5장에서는 이온이동도 분석법 과정 중 이온이 중성 기체와 충돌하는 현상에서 반데르발스 상호작용의 영향을 연구하고, 기체 상 이온 구조 연구에서 주요하게 이용되는 값인 이온 충돌단면적을 정확하게 계산할 수 있는 방안을 제시한다. 서로 다른 분자역학역장에서의 반데르발스 포텐셜을 도입함으로써 충돌단면적을 정확히 계산하기 위해 반데르발스 포텐셜을 올바르게 모사하는 방법을 이해할 수 있었으며 이를 바탕으로 서로 다른 크기와 조성의 이온에 적용할 수 있는 일반적인 충돌단면적 계산법을 제시한다.