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Dispersión de neutrones en las ciencias biológicas: técnicas y aplicaciones

DOI:

10.3791/64806

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January 20th, 2023

1Department of Molecular and Structural Biochemistry, North Carolina State University, 2Neutron Scattering Division, Oak Ridge National Laboratory

In This Article

Abstract

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ARTÍCULOS DISCUTIDOS:

Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. Optimización del crecimiento de cristales para la cristalografía macromolecular de neutrones. Revista de Experimentos Visualizados. (169), E61685 (2021).

Schröder, G. C., Meilleur, F. Recopilación y procesamiento de datos de cristalografía de neutrones para modelar átomos de hidrógeno en estructuras de proteínas. Revista de Experimentos Visualizados. (166), E61903 (2020).

Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. Midiendo la evolución temporal de materiales a nanoescala con flujo detenido y dispersión de neutrones de ángulo pequeño. Revista de Experimentos Visualizados. (174), E62873 (2021).

Bilheux, H. Z. et al. Radiografía de neutrones y tomografía computarizada de sistemas biológicos en el reactor de isótopos de alto flujo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Revista de Experimentos Visualizados. (171), E61688 (2021).

Stingaciu, L.-R. Estudio de la dinámica de proteínas mediante espectroscopía de eco de espín neutron. Revista de Experimentos Visualizados. (182), E61862 (2022).

Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. Espectroscopia de eco de espín de neutrones como una sonda única para la dinámica de la membrana lipídica y las interacciones membrana-proteína. Revista de Experimentos Visualizados. (171), E62396 (2021).

Discussion

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Las técnicas de dispersión y difracción de neutrones son excepcionalmente sensibles a la posición y dinámica de los átomos de hidrógeno en los materiales y son herramientas poderosas para la caracterización de las relaciones estructura-dinámica-función en sistemas biológicos. La sensibilidad de los neutrones a los átomos de hidrógeno, y a su isótopo deuterio, surge de la fuerte interacción de los neutrones con los núcleos de estos átomos. Esta propiedad hace que la información disponible de la dispersión de neutrones sea única y un complemento valioso para los datos obtenidos de las técnicas de caracterización estructural más utilizadas en ciencias biológicas. Los neutrones también tienen la ventaja de no causar ningún daño medible por radiación a las muestras biológicas.

Esta colección reúne una amplia gama de técnicas de neutrones que se han desarrollado para estudiar los sistemas biológicos y ejemplos de sus aplicaciones. Las instalaciones de investigación de neutrones ofrecen acceso a conjuntos avanzados y no destructivos de instrumentos para la caracterización biofísica, que proporcionan información estructural y dinámica, que abarca desde Ångströms hasta micras y más allá, y desde picosegundos hasta microsegundos, respectivamente. Las aplicaciones de neutrones en biología van desde el análisis de átomos de hidrógeno individuales en enzimas hasta el análisis a macroescala de complejos biológicos, membranas y ensamblajes.

A escala de longitud atómica, la cristalografía macromolecular de neutrones es una técnica que permite a los investigadores comprender la química catalizada por las enzimas mediante la identificación experimental de átomos de hidrógeno que son esenciales para la catálisis. La cristalografía macromolecular de neutrones requiere cristales grandes para compensar los flujos relativamente bajos de los haces de neutrones disponibles para realizar experimentos. Vahdatahar et al.1 demuestran un protocolo para cultivar cristales grandes y de alta calidad utilizando el banco de cristalización OptiCrys. OptiCrys controla y monitorea la temperatura y la concentración de un agente de cristalización de un experimento de microdiálisis, lo que permite al experimentador inspeccionar de manera eficiente el diagrama de fase de la proteína para identificar y modular las condiciones óptimas de crecimiento de cristales. Schröder y Meilleur2 demuestran cómo se manejan los cristales grandes para recopilar datos cristalográficos de neutrones a temperatura ambiente y criogénica. Estos autores también demuestran cómo realizar el refinamiento cristalográfico de un modelo de proteína solo con datos de neutrones, o el refinamiento conjunto con datos de neutrones y rayos X.

La dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) es una técnica de baja resolución que se utiliza para obtener información estructural de complejos biológicos a nivel molecular. El SANS resuelto en el tiempo permite seguir la evolución estructural de los complejos a lo largo del tiempo cuando se cambian las condiciones. Kelley et al.3 describen un entorno de muestra SANS de flujo detenido que admite la mezcla rápida de muestras biológicas líquidas, estudiando su evolución estructural en escalas de tiempo de segundos a minutos.

La radiografía de neutrones y la tomografía computarizada resuelven características estructurales en muestras biológicas del orden de decenas de micrómetros. Esta técnica es adecuada para la caracterización estructural de materiales biológicos a nivel de órganos. Bilheux et al.4 describen la aplicación de la radiografía de neutrones en fisiología vegetal y aplicaciones biomédicas. Los autores describen la preparación de la muestra, la estrategia de adquisición de datos y el análisis de datos.

Los neutrones no solo caracterizan dónde están los átomos (estructuras), sino también cómo se mueven los átomos (dinámica). El eco de espín de neutrones (NSE) es una técnica poderosa para estudiar la dinámica de los sistemas biológicos en la escala de tiempo de varias decenas de nanosegundos. Stingaciu5 describe la aplicación de NSE para estudiar la dinámica de una proteína de anticuerpo humano y de una proteína intrínsecamente desordenada. Se introduce cada paso, desde la preparación de la muestra hasta la recopilación y el análisis de datos y las simulaciones dinámicas asistidas por ordenador. La NSE también puede sondear la dinámica de las membranas biológicas, ya que Kumarage et al.6 demuestran un protocolo para la medición de la dinámica de una membrana lipídica modelo.

La dispersión de neutrones es una herramienta poderosa para investigar la relación estructura-dinámica-función en material biológico. Los desarrollos recientes en la preparación de muestras, la instrumentación y el análisis de datos están permitiendo abordar cuestiones biológicas más complejas. Estas colecciones de métodos proporcionan a los investigadores técnicas que brindan una visión única del comportamiento de los sistemas biológicos.

Disclosures

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Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

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Los autores no tienen agradecimientos.

References

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  1. Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. Optimization of crystal growth for neutron macromolecular crystallography. Journal of Visualized Experiments. (169), e61685(2021).
  2. Schröder, G. C., Meilleur, F. Neutron crystallography data collection and processing for modelling hydrogen atoms in protein structures. Journal of Visualized Experiments. (166), e61903(2020).
  3. Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. Measuring the time-evolution of nanoscale materials with stopped-flow and small-angle neutron scattering. Journal of Visualized Experiments. (174), e62873(2021).
  4. Bilheux, H. Z., et al. Neutron radiography and computed tomography of biological systems at the Oak Ridge National Laboratory's high flux isotope reactor. Journal of Visualized Experiments. (171), e61688(2021).
  5. Stingaciu, L. -R. Study of protein dynamics via neutron spin echo spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (182), e61862(2022).
  6. Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. Neutron spin echo spectroscopy as a unique probe for lipid membrane dynamics and membrane-protein interactions. Journal of Visualized Experiments. (171), e62396(2021).

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Neutron ScatteringBiological SciencesCrystal GrowthNeutron Macromolecular CrystallographyNeutron CrystallographyHydrogen AtomsProtein StructuresNanoscale MaterialsStopped flowSmall angle Neutron ScatteringNeutron RadiographyComputed TomographyBiological SystemsProtein DynamicsNeutron Spin Echo SpectroscopyLipid Membrane Dynamics

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