Das Verständnis der Mechanismen, nach denen biologische Systeme ablaufen, ist ein wichtiger Fokus der aktuellen Strukturbiologie. Kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) ist eine geeignete Technik, um solche Ziele anzustreben sowie Struktur und Dynamik von Biomolekülen zu erforschen, um komplementäre Informationen zum Verständnis von Proteinfunktionalität zu erhalten. Rasante Fortschritte sind vor nicht langer Zeit auf dem Gebiet biologischer Festkörper-NMR (ssNMR) erzielt worden, was zu vollständiger Strukturaufklärung zahlreicher Peptide und kleiner Proteine, der Beschreibung von Protein-Komplexbildung sowie der der dynamischen Eigenschaften kleiner Proteine geführt hat. Festkörper-NMR ist die Methode der Wahl bei struktureller und dynamischer Charakterisierung von Membranproteinen und aggregierten amyloidogenen Systemen, die schwer löslich und kaum mit Lösungs-NMR oder Röntgenkristallographie zugänglich sind. Moderne Festkörper-NMR ist noch immer limitiert, was Auflösung und Empfindlichkeit betrifft, und macht weitere Entwicklungen auf den Gebieten der Probenpräparation und des Pulssequenz-Designs erforderlich. In meiner Arbeit untersuche ich die potenzielle Verwendung von Deuterierung in der Protein Festkörper-NMR zur Erhöhung von Empfindlichkeit und Auflösung in 15N-1H Korrelationsexperimenten. Der erzielte Fortschritt auf diesen Gebieten erlaubt die Verfolgung von Proteinrückgratbewegungen mit hoher Genauigkeit, die vorher nicht verfügbar war. Wir zeigen zum ersten Mal, dass TROSY Experimente für Festkörper-NMR gewinnbringend sind. Außerdem wurde eine Pulssequenz für 13C-13C J Kopplung zur Erhöhung der Auflösung in der Kohlenstoff-Dimension entwickelt. / Understanding the mechanisms how biological systems work is an important objective of current structural biology. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a well suited technique to approach these goals and to study structure and dynamics of biomolecules in order to obtain complimentary information for understanding functionality of proteins. Recently, rapid progress has been made in the field of biological solid state NMR (ssNMR), which resulted in complete structure elucidation of several peptides and small proteins, the characterization of protein complex formation and the characterization of dynamic properties of small proteins. Solid state NMR is the method of choice for structural and dynamic characterization of membrane proteins and aggregated amyloidogenic systems, which are poorly soluble and can not be easily studied by solution state NMR and X-ray spectroscopy. Modern solid state NMR is still limited in resolution and sensitivity, and requires developments in sample preparation and pulse sequence design. In my thesis, I study the potential use of deuteration in protein solid state NMR for sensitivity, as well as for resolution enhancement in 15N-1H correlation experiments. Achieved progress in these fields allows to monitor backbone motion with high accuracy, which has not been available before. We show for the first time that TROSY type experiments can be beneficial for solid state NMR. In addition, a pulse sequence for 13C-13C J decoupling was developed to increase resolution in the carbon dimension.

Die Magnetresonanzelastographie (MRE) stellt ein nichtinvasives Verfahren dar, welches die Bestimmung der in vivo Scherelastizität weicher Gewebe ermöglicht. Im Rahmen diese Arbeit wurden Methoden zur Bestimmung isotroper und anisotroper Scherelastizitäten anhand von MRE Wellenbildern entwickelt und evaluiert. Alle in dieser Arbeit vorgestellten Methoden basieren auf planarer MRE, d.h. auf der Aufnahme einer einzelnen Auslenkungskomponente innerhalb der Bildschicht. Dadurch wird die MRE erheblich beschleunigt. Allerdings stellen sich dadurch auch besondere Anforderungen an die Datenauswertung zur Bestimmung aussagekräftiger elastischer Kenngrößen. Anhand von planaren MRE-Experimenten an Gewebephantomen und menschlicher Skelettmuskulatur sowie mittels numerischer Simulation wird gezeigt, dass bei Beachtung weniger experimenteller Randbedingungen und einer darauf abgestimmten Datenauswertung, korrekte Elastizitäten ermittelt werden können. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Analyse experimenteller Einflüsse wie Bildrauschen und -auflösung auf die ermittelten elastischen Kenngrößen. Des Weiteren werden Methoden zur Bestimmung anisotroper Elastizitäten sowie zur Analyse von Streueffekten im MRE-Wellenbild vorgestellt. Die behandelten Einflüsse auf die Amplituden und Wellenlängen im MRE-Bild, werden vergleichend diskutiert und zusammengefasst, um ein einfaches Verfahrensprotokoll zur Analyse experimenteller in vivo MRE-Daten zu entwickeln. Alle in dieser Arbeit verwendeten Methoden und Programme sind im Anhang zusammengefasst und auf Anforderung erhältlich. / Magnetic resonance elastography (MRE) is a noninvasive method that allows the determination of in vivo shear elasticity of soft tissues. In this thesis methods for the determination of isotropic and anisotropic shear elasticities from MRE wave data were developed and evaluated. All methods presented in this work are based on planar MRE, i.e. they are based on the measurement of a single displacement component in the image plane. This way measurement time in MRE is greatly reduced. However, this imposes specific requirements on data evaluation in order to determine significant elastic constants. On the basis of planar MRE experiments on tissue mimicking gels, human skeletal muscle and numerical simulations it is demonstrated that correct shear elasticities can be determined, taking into account a small set of experimental boundary conditions as well as the employment of complementary data evaluation strategies. This thesis is particularly focussed on the analysis of noise and image resolution on the determined elastic constants. Moreover, methods for determining anisotropic elasticity and analyzing shear wave scattering effects on MRE wave data are introduced. The investigated influences on wave amplitudes and wave lengths are compared and discussed to develop a simple measurement protocol for the evaluation of in vivo MRE data. All methods employed in this work are summarized in the appendix along with the corresponding computer code, which is available on demand.