Seit November 2025 betreibt die Universität Zürich (UZH) auf dem Campus Irchel das weltweit leistungsfähigste Kernspin-Resonanz-Spektrometer. Diese Analysenplattform fungiert als hochauflösende Lupe für komplexe molekulare Verbindungen. Das System basiert auf dem stärksten kommerziell erhältlichen Dauermagneten. Die Apparatur misst 4,1 Meter in der Höhe und wiegt 8,2 Tonnen. Im Inneren kühlen 1800 Liter flüssiger Stickstoff und Helium die supraleitenden Magnetspulen auf minus 271 Grad Celsius.
Überwindung spektraler Überlagerungen durch Feldstärkenerhöhung
Das System generiert eine magnetische Feldstärke von 25,8 Tesla. Höhere Feldstärken steigern die Resonanzfrequenz der angeregten Atomkerne. Dies löst ein zentrales analytisches Dilemma: Große Biomoleküle erzeugen dichte, oft überlagerte Protonensignale im Spektrum. Die gesteigerte Frequenz trennt diese Signale präziser. Zudem verbessert das hohe Magnetfeld das Signal-Rausch-Verhältnis signifikant. Dies erleichtert die spektrale Interpretation flüssiger Proben in der Biochemie, Medizin und Pharmazie.
Kooperative Finanzierung und optimiertes Ressourcenmanagement
Die Anschaffungskosten von 13,5 Millionen Franken wurden gemeinschaftlich getragen. Die UZH, die ETH Zürich und die Universität Basel kooperieren in der „Swiss High-Field-NMR Facility“.“Für mich war das ein sehr sinnvolles Zusammengehen, um ein so teures Forschungsinstrument zu finanzieren“, sagt Chemiker Oliver Zerbe, „und letztlich wird es damit auch sinnvoll genutzt.“
Zur Kosteneffizienz fängt eine integrierte Anlage verdampftes Helium auf. Die ETH verflüssigt das Gas für den Kreislauf wieder.
Applikationen in der Wirkstoffforschung und Antibiotikaresistenz
Das 1,2-Gigahertz-Spektrometer bietet eine deutlich gesteigerte analytische Auflösung.“Die Auflösung ist bei diesem Spektrometer einfach deutlich höher als bei bisherigen Geräten: ähnlich wie bei einem grösseren Chip für eine Kamera“, sagt er, „damit können wir zum Beispiel besser erkennen, wie Substanzen an grosse, komplizierte Moleküle in bakteriellen Zellen binden. „Ein Anwendungsbereich ist das Peptid Thanatin, welches die bakterielle Membranbildung blockiert. Im menschlichen Serum ist es jedoch instabil. Mittels NMR-Spektroskopie wurde der Blockademechanismus der molekularen Brücke exakt lokalisiert. Das Molekül wurde daraufhin gezielt modifiziert. Es ist nun serumstabil, mindert Resistenzbildungen und behält seine antibiotische Aktivität.“Solche Optimierungen hat man früher mit sehr vielen Versuchen gemacht, sozusagen im Blindflug“, sagt Zerbe.
Strukturanalyse intrinsisch ungeordneter Proteine (IDPs)
Die Technologie erlaubt die Untersuchung hochflexibler, intrinsisch ungeordneter Proteine (IDPs). Diese besitzen keine fixe Tertiärstruktur, sondern flexible Ketten. „Man kann sie sich wie Spaghetti vorstellen“, sagt Ricarda Törner. IDPs regulieren als Signalübermittler essenzielle zelluläre Prozesse wie die Zellteilung. Das Spektrometer validiert diese Dynamiken in Lösung. Törners Arbeitsgruppe entwickelt zudem Protein-Labeling-Methoden. Durch gezielte Phosphorylierung werden In-vivo-Zustände im Reagenzglas simuliert, um strukturelle Konformationsänderungen spektroskopisch zu verfolgen. Ein wichtiges IDP-Beispiel ist das Tumorsuppressorprotein p53, das fehlerhafte Zellteilungen blockiert. Mutationen inaktivieren diesen Schutzmechanismus. Die Molekularbiologie sucht daher nach Wegen zur funktionellen Reaktivierung.
Onkologische Zielsetzungen und zukünftige Perspektiven
Die NMR-Analytik soll die Mechanismen der Tumorgenese weiter entschlüsseln. „Wir würden unsere Zielproteine in nächster Zeit gerne so tiefgehend studieren, dass wir ihre unterschiedlichen Zustände gut kennen und sie gezielt manipulieren können“, sagt sie.Langfristig sollen fundamentale biochemische Gesetzmäßigkeiten verallgemeinert werden.“Wir erhoffen uns, die Gesetzmäßigkeiten dahinter zu verstehen und irgendwann sogar verallgemeinern zu können.“Diese Erkenntnisse dienen translationellen Ansätzen zur Entwicklung neuartiger Antibiotika und Krebstherapien.