Method Article

La diffusion des neutrons dans les sciences biologiques : techniques et applications

DOI:

10.3791/64806

⸱

January 20th, 2023

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

In This Article

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ARTICLES DISCUTÉS :

Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. Optimisation de la croissance cristalline pour la cristallographie macromoléculaire neutronique. Journal des expériences visualisées. (169), E61685 (2021).

Schröder, G. C., Meilleur, F. Collecte et traitement des données de cristallographie neutronique pour la modélisation des atomes d’hydrogène dans les structures protéiques. Journal des expériences visualisées. (166), E61903 (2020).

Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. Mesure de l’évolution temporelle de matériaux à l’échelle nanométrique avec écoulement arrêté et diffusion de neutrons aux petits angles. Journal des expériences visualisées. (174), E62873 (2021).

Bilheux, H. Z. et al. Radiographie neutronique et tomodensitométrie des systèmes biologiques au réacteur isotopique à haut flux du Laboratoire national d'Oak Ridge. Journal des expériences visualisées. (171), e61688 (2021).

Stingaciu, L.-R. Etude de la dynamique des protéines par spectroscopie d’écho de spin neutronique. Journal des expériences visualisées. (182), E61862 (2022).

Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. La spectroscopie par écho de spin neutronique comme sonde unique pour la dynamique membranaire lipidique et les interactions membranaire-protéine. Journal des expériences visualisées. (171), E62396 (2021).

Discussion

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Les techniques de diffusion et de diffraction des neutrons sont particulièrement sensibles à la position et à la dynamique des atomes d’hydrogène dans les matériaux et constituent des outils puissants pour la caractérisation des relations structure-dynamique-fonction dans les systèmes biologiques. La sensibilité des neutrons aux atomes d’hydrogène, et à son isotope le deutérium, résulte de la forte interaction des neutrons avec les noyaux de ces atomes. Cette propriété rend l’information disponible sur la diffusion des neutrons unique et constitue un complément précieux aux données obtenues à partir de techniques de caractérisation structurale plus généralement utilisées en sciences biologiques. Les neutrons ont également l’avantage de ne pas causer de dommages mesurables aux échantillons biologiques par les rayonnements.

Cette collection rassemble un large éventail de techniques neutroniques qui ont été développées afin d’étudier les systèmes biologiques et des exemples de leurs applications. Les installations de recherche sur les neutrons offrent un accès à des suites d’instruments avancés et non destructifs pour la caractérisation biophysique, qui fournissent des informations sur la structure et la dynamique, allant de l’Ångströms au micron et au-delà, et de la picoseconde à la microseconde, respectivement. Les applications des neutrons en biologie vont de l’analyse d’atomes d’hydrogène individuels dans des enzymes à l’analyse à grande échelle de complexes biologiques, de membranes et d’assemblages.

À l’échelle de la longueur atomique, la cristallographie macromoléculaire neutronique est une technique qui permet aux chercheurs de comprendre la chimie catalysée par les enzymes en identifiant expérimentalement les atomes d’hydrogène essentiels à la catalyse. La cristallographie macromoléculaire neutronique nécessite de gros cristaux pour compenser les flux relativement faibles des faisceaux de neutrons disponibles pour mener des expériences. Vahdatahar et al.1 font la démonstration d’un protocole permettant de faire pousser de gros cristaux de haute qualité à l’aide du banc de cristallisation OptiCrys. OptiCrys contrôle et surveille la température et la concentration d’un agent de cristallisation d’une expérience de microdialyse, ce qui permet à l’expérimentateur d’étudier efficacement le diagramme de phase des protéines afin d’identifier et de moduler les conditions optimales de croissance cristalline. Schröder et Meilleur2 démontrent comment de gros cristaux sont manipulés pour collecter des données cristallographiques neutroniques à des températures ambiantes et cryogéniques. Ces auteurs montrent également comment effectuer un raffinement cristallographique d’un modèle protéique sur des données neutroniques uniquement, ou un raffinement conjoint sur des données de neutrons et de rayons X.

La diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) est une technique à faible résolution utilisée pour obtenir des informations structurelles à partir de complexes biologiques au niveau moléculaire. Le SANS résolu dans le temps permet de suivre l’évolution structurelle des complexes dans le temps lorsque les conditions sont modifiées. Kelley et al.3 décrivent un environnement d’échantillonnage SANS à écoulement arrêté qui favorise le mélange rapide d’échantillons de liquide biologique, en étudiant leur évolution structurelle sur des échelles de temps allant de quelques secondes à quelques minutes.

La radiographie neutronique et la tomodensitométrie résolvent les caractéristiques structurelles des échantillons biologiques de l’ordre de quelques dizaines de micromètres. Cette technique est adaptée à la caractérisation structurale de matériaux biologiques au niveau de l’organe. Bilheux et al.4 décrivent l’application de la radiographie neutronique dans la physiologie végétale et les applications biomédicales. Les auteurs décrivent la préparation des échantillons, la stratégie d’acquisition de données et l’analyse des données.

Les neutrons caractérisent non seulement l’emplacement des atomes (structures), mais aussi la façon dont les atomes se déplacent (dynamique). L’écho de spin neutronique (NSE) est une technique puissante pour étudier la dynamique des systèmes biologiques sur une échelle de temps de plusieurs dizaines de nanosecondes. Stingaciu5 décrit l’application de la NSE pour étudier la dynamique d’une protéine d’anticorps humain et d’une protéine intrinsèquement désordonnée. Chaque étape, de la préparation de l’échantillon à la collecte et à l’analyse des données, en passant par les simulations dynamiques assistées par ordinateur, est introduite. Les NSE peuvent également sonder la dynamique des membranes biologiques, comme Kumarage et al.6 démontrent un protocole de mesure de la dynamique d’une membrane lipidique modèle.

La diffusion des neutrons est un outil puissant pour étudier la relation structure-dynamique-fonction dans le matériel biologique. Les développements récents dans la préparation des échantillons, l’instrumentation et l’analyse des données permettent d’aborder des questions biologiques plus complexes. Cette collection de méthodes fournit aux chercheurs des techniques qui fournissent un aperçu unique du comportement des systèmes biologiques.

Disclosures

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgements

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Les auteurs n’ont aucune reconnaissance.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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