In vivo NMR spectroscopy: in situ 15N pulse labelling NMR spectroscopy with photoautotrophic microorganisms

For studying the nitrogen metabolism in plants ¹⁵N NMR spectroscopy can be used. For in vivo ¹⁵N NMR (natural abundance of ¹⁵N: 0.37%) enrichment of the sample with the isotope ¹⁵N is compulsory. The detection of time courses of ¹⁵N assimilation from cells, which are enriched in culture is restricted in scope. Here, a method, the ¹⁵N pulse labelling NMR spectroscopy, is demonstrated, which permits labelling of different nitrogen compounds in photoautotrophic microorganisms during the NMR spectroscopic measurement. Using an effective illumination system it is possible to maintain photosynthesis in plant samples of high biomass densities in the magnet necessary for ammonia assimilation. The technique thus enables to directly observe ammonia assimilation pathways by application of a ¹⁵NO₃ ^? or ¹⁵NH₄ ^? pulses.

Für das Studium des Stickstoffstoffwechsels der Pflanzen kann die ¹⁵N-NMR-Spektroskopie herangezogen werden. Hierzu ist bei der in-vivo-¹⁵N-NMR (natürliche Häufigkeit von ¹⁵N: 0.37%) eine Anreicherung der Probe mit dem Isotop ¹⁵N unerläßlich. Eine Verfolgung der ¹⁵N-Assimilationskinetik mit Zellen, die in der Kultur angereichert wurden, ist jedoch nur bedingt möglich. In dieser Arbeit wird die ¹⁵N-Pulsmarkierungs-NMR-Spektroskopie als eine Methode vorgestellt, die es erlaubt, eine Markierung von Stickstoffverbindungen in photoautotrophen einzelligen Mikroorganismen während der NMR-Messung im Magneten vorzunehmen. Es wird ein spezielles Beleuchtungssystem verwendet, das eine für die Stickstoffassimilation ausreichende Photosyntheseleistung der Zellen unter NMR-Bedingungen bei hoher Biomassedichte ermöglicht. Diese Technik erlaubt durch die Applikation eines ¹⁵NO₃ ^?-oder ¹⁵NH₄ ⁺-Pulses eine direkte Verfolgung von Ammonium-Assimilationswegen.