Method Article

פיזור נויטרונים במדעי הביולוגיה: טכניקות ויישומים

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

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

מאמרים שנדונו:

Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. אופטימיזציה של צמיחת גבישים עבור קריסטלוגרפיה מקרו-מולקולרית של נויטרונים. כתב העת לניסויים חזותיים. (169), e61685 (2021).

Schröder, G. C., Meilleur, F. איסוף ועיבוד נתוני קריסטלוגרפיה של נויטרונים למידול אטומי מימן במבני חלבון. כתב העת לניסויים חזותיים. (166), e61903 (2020).

Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. מדידת התפתחות הזמן של חומרים בקנה מידה ננומטרי עם זרימה נעצרת ופיזור נויטרונים בזווית קטנה. כתב העת לניסויים חזותיים. (174), e62873 (2021).

Bilheux, H. Z. et al. רדיוגרפיה של נויטרונים וטומוגרפיה ממוחשבת של מערכות ביולוגיות בכור האיזוטופים בשטף גבוה של המעבדה הלאומית אוק רידג'. כתב העת לניסויים חזותיים. (171), e61688 (2021).

Stingaciu, L.-R. חקר דינמיקת חלבונים באמצעות ספקטרוסקופיה של הד ספין נויטרונים. כתב העת לניסויים חזותיים. (182), e61862 (2022).

Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. ספקטרוסקופיה של הד ספין נויטרונים כבדיקה ייחודית לדינמיקה של ממברנת שומנים ואינטראקציות ממברנה-חלבון. כתב העת לניסויים חזותיים. (171), e62396 (2021).

Discussion

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

טכניקות פיזור ועקיפה של נויטרונים רגישות באופן ייחודי למיקום ולדינמיקה של אטומי מימן בחומרים ומהוות כלים רבי עוצמה לאפיון יחסי מבנה-דינמיקה-תפקוד במערכות ביולוגיות. הרגישות של נייטרונים לאטומי מימן, ולאיזוטופ דאוטריום שלו, נובעת מהאינטראקציה החזקה של נויטרונים עם גרעיני האטומים הללו. תכונה זו הופכת את המידע הזמין מפיזור נויטרונים לייחודי והשלמה רבת ערך לנתונים המתקבלים מטכניקות אפיון מבניות המשמשות בדרך כלל במדעי הביולוגיה. לנויטרונים יש גם יתרון בכך שהם אינם גורמים נזק קרינה מדיד לדגימות ביולוגיות.

אוסף זה מאגד מגוון רחב של טכניקות נויטרונים שפותחו על מנת לחקור מערכות ביולוגיות ודוגמאות ליישומיהן. מתקני מחקר נויטרונים מציעים גישה לחבילות מתקדמות ולא הרסניות של מכשירים לאפיון ביופיזיקלי, המספק מבנה ומידע דינמי, המשתרע מאנגסטרום למיקרון ומעבר לו, ומפיקו-שניות למיקרו-שניות, בהתאמה. יישומי נויטרונים בביולוגיה נעים בין ניתוח אטומי מימן בודדים באנזימים לניתוח בקנה מידה מאקרו של קומפלקסים ביולוגיים, ממברנות ומכלולים.

בסולם האורך האטומי, קריסטלוגרפיה מקרומולקולרית של נויטרונים היא טכניקה המאפשרת לחוקרים להבין את הכימיה המזרזת על ידי אנזימים באמצעות זיהוי ניסיוני של אטומי מימן החיוניים לקטליזה. קריסטלוגרפיה מקרומולקולרית של נויטרונים דורשת גבישים גדולים כדי לפצות על השטפים הנמוכים יחסית של אלומות הנויטרונים הזמינות לביצוע ניסויים. Vahdatahar et al.1 מדגימים פרוטוקול לגידול גבישים גדולים ואיכותיים באמצעות ספסל ההתגבשות של OptiCrys. OptiCrys שולטת ומנטרת את הטמפרטורה והריכוז של חומר התגבשות של ניסוי מיקרודיאליזה, ומאפשרת לנסיין לסקור ביעילות את דיאגרמת פאזת החלבון כדי לזהות ולווסת תנאי גידול גבישים אופטימליים. Schröder ו-Meilleur2 מדגימים כיצד מטפלים בגבישים גדולים כדי לאסוף נתונים קריסטלוגרפיים של נויטרונים בטמפרטורות סביבה וקריוגניות. מחברים אלה גם מדגימים כיצד לבצע חידוד קריסטלוגרפי של מודל חלבון כנגד נתוני נויטרונים בלבד, או חידוד משותף כנגד נתוני נייטרונים וקרני רנטגן.

פיזור נויטרונים בזווית קטנה (SANS) היא טכניקה ברזולוציה נמוכה המשמשת להשגת מידע מבני מקומפלקסים ביולוגיים ברמה המולקולרית. SANS שנפתר בזמן מאפשר לעקוב אחר ההתפתחות המבנית של קומפלקסים לאורך זמן כאשר התנאים משתנים. קלי ואחרים מתארים סביבת דגימת SANS בזרימה עצורה התומכת בערבוב מהיר של דגימות נוזל ביולוגיות, וחוקרים את האבולוציה המבנית שלהן בקנה מידה של שניות עד דקות.

רדיוגרפיה של נויטרונים וטומוגרפיה ממוחשבת פותרים מאפיינים מבניים בדגימות ביולוגיות בסדר גודל של עשרות מיקרומטרים. טכניקה זו מתאימה לאפיון מבני של חומרים ביולוגיים ברמת האיבר. Bilheux et al.4 מתארים את היישום של רדיוגרפיה של נויטרונים בפיזיולוגיה של הצמח וביישומים ביו-רפואיים. המחברים מתארים הכנת מדגם, אסטרטגיית רכישת נתונים וניתוח נתונים.

נויטרונים לא רק מאפיינים היכן נמצאים אטומים (מבנים) אלא גם כיצד אטומים נעים (דינמיקה). הד ספין נויטרונים (NSE) היא טכניקה רבת עוצמה לחקר הדינמיקה של מערכות ביולוגיות בקנה מידה של כמה עשרות ננו-שניות. Stingaciu5 מתאר את היישום של NSE לחקר הדינמיקה של חלבון נוגדן אנושי ושל חלבון לא מסודר באופן מהותי. כל שלב, מהכנת דגימה ועד איסוף וניתוח נתונים וסימולציות דינמיקה בעזרת מחשב מוצג. NSE יכול גם לחקור את הדינמיקה של ממברנות ביולוגיות, שכן Kumarage et al.6 מדגימים פרוטוקול למדידת הדינמיקה של קרום שומנים מודל.

פיזור נויטרונים הוא כלי רב עוצמה לחקר הקשר בין מבנה-דינמיקה-תפקוד בחומר ביולוגי. ההתפתחויות האחרונות בהכנת דגימות, מכשור וניתוח נתונים מאפשרות לטפל בשאלות ביולוגיות מורכבות יותר. אוספי שיטות אלה מספקים לחוקרים טכניקות המספקות תובנה ייחודית על התנהגות מערכות ביולוגיות.

Disclosures

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

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

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

למחברים אין אישורים.

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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles