De novo NMR pulse sequence design using Monte-Carlo optimization techniques

Separated  Local  Field  (SLF)  experiments  have  been  routinely  used  for  measuring  1H-15N  heteronucleardipolar  couplings  in  oriented-sample  solid-state  NMR  for  structure  determination  of  proteins.  In  theon-going  pursuit  of  designing  better-performing  SLF  pulse  sequences  (e.g.  by  increasing  the  number  ofsubdwells,  and  varying  the  rf  amplitudes  and  phases),  analytical  treatment  of  the  relevant  averageHamiltonian  terms  may  become  cumbersome  and/or  nearly  impossible.  Numerical  simulations  of  NMRexperiments  using  GPU  processors  can  be  employed  to  rapidly  calculate  spectra  for  moderately  sized  spinsystems,  which  permit  an  efficient  numeric  optimization  of  pulse  sequences  by  the  Monte  CarloSimulated  Annealing  protocol.  In  this  work,  a  computational  strategy  was  developed  to  find  the  optimalphases  and  timings  that  substantially  improve  the  1H-15N  dipolar  linewidths  over  a  broad  range  of  dipolar  couplings  as  compared  to  SAMPI4.  More  than  100  pulse  sequences  were  developed  de  novo  and  testedon  an  N-acetyl  Leucine  crystal.  Seventeen  distinct  pulse  sequences  were  shown  to  produce  sharper  meanlinewidths  than  SAMPI4.  Overall,  these  pulse  sequences  have  more  variable  parameters  (involving  nonquadrature  phases)  and  do  not  involve  symmetry  between  the  odd  and  even  dwells,  which  would  likelypreclude  their  rigorous  analytical  treatment.  The  top  performing  pulse  sequence,  termed  ROULETTE-1,has  18%  sharper  mean  linewidths  than  SAMPI4  when  run  on  an  N-acetyl  Leucine  crystal.  This  sequencewas  also  shown  to  be  robust  over  a  broad  range  of  1H  carrier  frequencies  and  various  crystal  orientations.

The  performance  of  such  an  optimized  pulse  sequence  was  also  illustrated  on  15N  Leucine-labeled  Pf1coat  protein  reconstituted  in  magnetically  aligned  bicelles.  For  the  optimized  pulse  sequence  the  meanpeak  width  was  14%  sharper  than  SAMPI4,  which  in  turn  yielded  a  better  signal  to  noise  ratio,  20:1  vs.

17:1.  This  method  is  potentially  extendable  to  de  novo  development  of  a  variety  of  NMR  experiments