La spectroscopie neutronique à haute résolution pour étudier la dynamique picoseconde-nanoseconde des protéines et de l’eau d’hydratation

La rétrodiffusion des neutrons mesure la diffusion globale et la dynamique interne des protéines et de l’eau d’hydratation sans dommages causés par les radiations. La spectroscopie neutronique accède simultanément aux corrélations spatiales et temporelles au niveau moléculaire. Dans la matière molle et les matériaux biologiques, il est particulièrement intéressant d’obtenir des informations indirectes sur l’ordre local sur ces systèmes de désordres à longue distance.

Ainsi, la rétrodiffusion des neutrons peut être utilisée pour étudier la dynamique en biologie, en chimie ou en sens matériel. Un autre domaine fort est celui de l’énergie, avec des études, par exemple, sur les batteries et les piles à combustible. La rétrodiffusion des neutrons a été utilisée avec succès pour étudier la dynamique moléculaire des protéines impliquées dans les maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson.

Les résultats obtenus nous aident à mieux comprendre les caractéristiques moléculaires de ces pathologies et pourraient ouvrir la voie à de meilleurs diagnostics. Pour préparer le porte-échantillon, commencez par nettoyer soigneusement un porte-échantillon plat en aluminium et son joint et ses vis en fil d’indium avec de l’eau, puis laissez-le sécher. Pesez séparément les différentes parties du porte-échantillon, y compris le fond, le couvercle et le fil d’indium, sur une balance de précision.

Placez le joint de fil d’indium d’un millimètre dans la rainure de la partie inférieure du porte-échantillon, en laissant un petit chevauchement là où les deux extrémités se rejoignent. Ajoutez environ 100 milligrammes de protéines lyophilisées de sorte qu’elles remplissent la surface interne de la partie inférieure du porte-échantillon. Ensuite, placez le porte-échantillon dans un dessiccateur avec une boîte de Petri contenant de la poudre d’anhydride phosphorique pendant 24 heures pour sécher complètement la poudre de protéines.

Peser la partie inférieure séchée du porte-échantillon contenant le sceau d’indium et la poudre séchée pour obtenir la masse de l’échantillon séché. Retirez le pentaoxyde phosphorique du dessiccateur et mettez une boîte de Petri avec de l’oxyde de deutérium ainsi que l’échantillon à l’intérieur pour hydrater la poudre. Répétez le séchage et l’hydratation trois fois pour un échange complet hydrogène-deutérium.

Mesurez régulièrement la masse de poudre pour vérifier le niveau d’hydratation et lorsque l’hydratation est légèrement supérieure au niveau souhaité, attendez que la masse diminue lentement. Une fois l’hydratation désirée obtenue, placez rapidement le couvercle sur la partie inférieure et fermez d’abord le porte-échantillon avec quatre vis pour arrêter l’échange de vapeur. Placez et serrez toutes les vis restantes jusqu’à ce qu’aucun espace ne soit visible entre la partie inférieure et le couvercle.

Pesez le porte-échantillon scellé pour vérifier toute perte d’hydratation potentielle due à des fuites après l’expérience sur les neutrons. Pour préparer l’échantillon à l’état liquide, dissoudre la protéine dans le tampon deutéré. À l’aide d’eau, déterminez le volume approprié de liquide à mettre dans le porte-échantillon.

Avant de manipuler un matériau, assurez-vous que la dose de rayonnement ionisant est inférieure à 100 microsieverts par heure. Ensuite, séchez soigneusement le bâtonnet d’échantillon et retirez tout échantillon précédent. Placez l’échantillon sur le bâtonnet d’échantillonnage, vérifiez le centrage approprié par rapport au centre du faisceau et insérez le bâtonnet d’échantillon dans le four cryogénique.

Pour acquérir des données dans Nomad, allez dans l’onglet d’exécution et glissez-déposez un contrôleur de cryostat de four dans le tableau de lancement. Réglez la température à 200 Kelvin. Utilisez le mode rapide et un délai d’attente de 30 minutes pour que la température ait le temps de se stabiliser.

Cliquez sur l’icône de rappel pour exécuter la rampe de température en arrière-plan pour l’acquisition de données pendant la baisse de température. Faites glisser et déposez le contrôleur de paramètres Doppler IN16 dans le tableau de bord. Réglez le profil de vitesse sur la vitesse précise, le réglage par sur delta E maximum, le décalage d’énergie sur 0,00 micro électronvolt et le nombre de canaux sur 128 pour obtenir une configuration de balayage de fenêtre fixe élastique.

Faites glisser et déposez un contrôleur de comptage dans le tableau de bord, remplissez le champ de sous-titres avec un nom qui permet une identification facile des données et définissez des scans de 30 secondes avec 60 répétitions. Ensuite, faites glisser et déposez le contrôleur de paramètres Doppler IN16 dans le tableau de bord. Définissez le profil de vitesse sur signer, le défini par sur vitesse avec une valeur de 4,5 mètres par seconde et le nombre de canaux sur 2048 pour obtenir une configuration de diffusion de neutrons quasi élastique.

Faites glisser et déposez un contrôleur de comptage et remplissez le champ de sous-titres avec un nom qui permet une identification facile des données. Définissez des scans de 30 minutes avec quatre répétitions. Pour la rampe de température, faites glisser et déposez un contrôleur de cryostat de four, réglez la température à 310 Kelvin et réglez la rampe sur un point de consigne avec un delta de 0,05 Kelvin pendant six secondes.

Utilisez un délai d’attente de 200 minutes. Utilisez une boucle for avec 65 répétitions. À l’intérieur, insérez un contrôleur de paramètres Doppler IN16, suivi du contrôleur de comptage et définissez un balayage unique de 30 secondes.

Par la suite, insérez les réglages Doppler IN16 comme décrit précédemment, mais en utilisant un décalage d’énergie de 1,5 micro électronvolt et 1024 canaux. Ensuite, insérez le contrôleur de comptage et définissez une analyse unique de trois minutes. Pour acquérir la dernière diffusion de neutrons quasi élastique de 312 Kelvin, faites glisser et déposez les paramètres Doppler IN16 et les contrôleurs de comptage configurés comme démontré précédemment.

Ensuite, appuyez sur le bouton Démarrer pour exécuter le script. Les balayages de fenêtre fixe élastiques et inélastiques du lysosome ont montré une augmentation du signal à faible transfert de quantité de mouvement et à faible transfert d’énergie, tandis que le signal à transfert d’énergie élevé et à faible transfert d’impulsion a diminué. Le coefficient initial du centre de diffusion de masse était de 15 angströms au carré par nanoseconde, qui a ensuite diminué de manière exponentielle au fil du temps.

À des températures supérieures à 220 Kelvin, l’eau d’hydratation autour des fibres tau était significativement plus mobile qu’autour des monomères tau. La fraction de molécules d’eau subissant un mouvement de translation et les coefficients de diffusion translationnels et de rotation des molécules d’eau ont été augmentés autour des fibres. La concentration en protéines doit être de 2000 milligrammes par ml ou d’au moins 20 milligrammes par ml pour les protéines protéinées en raison des limitations de rétrodiffusion des neutrons dues au flux de neutrons ou au fond tampon du porte-échantillon.

La rétrodiffusion des neutrons a été récemment appliquée, par exemple, pour comprendre comment l’eau, qui est les protéines environnementales naturelles, peut être entièrement remplacée par un polymère synthétique pour une application biotechnologique comme, par exemple, l’administration de médicaments.