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Neutronenstreu- und Beugungstechniken sind besonders empfindlich gegenüber der Position und Dynamik von Wasserstoffatomen in Materialien und sind leistungsfähige Werkzeuge für die Charakterisierung von Struktur-Dynamik-Funktionsbeziehungen in biologischen Systemen. Die Empfindlichkeit von Neutronen gegenüber Wasserstoffatomen und seinem Isotop Deuterium ergibt sich aus der starken Wechselwirkung von Neutronen mit den Kernen dieser Atome. Diese Eigenschaft macht die aus der Neutronenstreuung verfügbaren Informationen einzigartig und eine wertvolle Ergänzung zu Daten, die aus strukturellen Charakterisierungstechniken gewonnen werden, die typischerweise in den Biowissenschaften verwendet werden. Neutronen haben auch den Vorteil, dass sie keine messbaren Strahlenschäden an biologischen Proben verursachen.
Diese Sammlung vereint eine breite Palette von Neutronentechniken, die entwickelt wurden, um biologische Systeme und Beispiele für ihre Anwendungen zu untersuchen. Neutronenforschungseinrichtungen bieten Zugang zu fortschrittlichen, zerstörungsfreien Instrumenten für die biophysikalische Charakterisierung, die Struktur- und dynamische Informationen liefern, die von Ångström bis Mikrometer und darüber hinaus bzw. von Pikosekunden bis Mikrosekunden reichen. Die Anwendungen von Neutronen in der Biologie reichen von der Analyse einzelner Wasserstoffatome in Enzymen bis hin zur makroskaligen Analyse biologischer Komplexe, Membranen und Anordnungen.
Auf der atomaren Längenskala ist die makromolekulare Neutronenkristallographie eine Technik, die es Forschern ermöglicht, die von Enzymen katalysierte Chemie durch experimentelle Identifizierung von Wasserstoffatomen zu verstehen, die für die Katalyse unerlässlich sind. Die makromolekulare Neutronenkristallographie benötigt große Kristalle, um die relativ geringen Flüsse der Neutronenstrahlen zu kompensieren, die für die Durchführung von Experimenten zur Verfügung stehen. Vahdatahar et al.1 demonstrieren ein Protokoll zur Züchtung großer, hochwertiger Kristalle mit der OptiCrys-Kristallisationsbank. OptiCrys steuert und überwacht die Temperatur und Konzentration eines Kristallisationsmittels eines Mikrodialyseexperiments und ermöglicht es dem Experimentator, das Proteinphasendiagramm effizient zu überwachen, um optimale Kristallwachstumsbedingungen zu identifizieren und zu modulieren. Schröder und Meilleur2 zeigen, wie große Kristalle gehandhabt werden, um neutronenkristallographische Daten bei Umgebungs- und kryogenen Temperaturen zu sammeln. Diese Autoren zeigen auch, wie man die kristallographische Verfeinerung eines Proteinmodells nur anhand von Neutronendaten oder die gemeinsame Verfeinerung anhand von Neutronen- und Röntgendaten durchführen kann.
Die Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) ist eine niedrig aufgelöste Technik, die verwendet wird, um strukturelle Informationen von biologischen Komplexen auf molekularer Ebene zu gewinnen. Zeitaufgelöstes SANS ermöglicht es, die strukturelle Entwicklung von Komplexen im Laufe der Zeit zu verfolgen, wenn sich die Bedingungen ändern. Kelley et al.3 beschreiben eine SANS-Probenumgebung mit gestopptem Fluss, die das schnelle Mischen biologischer flüssiger Proben unterstützt, und untersuchen deren strukturelle Entwicklung auf Zeitskalen von Sekunden bis Minuten.
Neutronenradiographie und Computertomographie lösen strukturelle Merkmale in biologischen Proben in der Größenordnung von Dutzenden von Mikrometern auf. Diese Technik eignet sich für die strukturelle Charakterisierung biologischer Materialien auf Organebene. Bilheux et al.4 beschreiben die Anwendung der Neutronenradiographie in der Pflanzenphysiologie und in biomedizinischen Anwendungen. Die Autoren beschreiben die Probenvorbereitung, die Datenerfassungsstrategie und die Datenanalyse.
Neutronen charakterisieren nicht nur, wo sich Atome befinden (Strukturen), sondern auch, wie sich Atome bewegen (Dynamik). Das Neutronenspin-Echo (NSE) ist eine leistungsfähige Technik, um die Dynamik biologischer Systeme auf einer Zeitskala von mehreren Dutzend Nanosekunden zu untersuchen. Stingaciu5 beschreibt die Anwendung von NSE zur Untersuchung der Dynamik eines humanen Antikörperproteins und eines intrinsisch ungeordneten Proteins. Jeder Schritt, von der Probenvorbereitung über die Datenerfassung und -analyse bis hin zu computergestützten Dynamiksimulationen, wird vorgestellt. NSE kann auch die Dynamik biologischer Membranen untersuchen, da Kumarage et al.6 ein Protokoll zur Messung der Dynamik einer Modelllipidmembran demonstrieren.
Die Neutronenstreuung ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Struktur-Dynamik-Funktionsbeziehung in biologischem Material zu untersuchen. Jüngste Entwicklungen in der Probenvorbereitung, Instrumentierung und Datenanalyse ermöglichen es, komplexere biologische Fragestellungen zu beantworten. Diese Methodensammlung bietet Forschern Techniken, die einzigartige Einblicke in das Verhalten biologischer Systeme bieten.