Method Article

Scattering di neutroni nelle scienze biologiche: tecniche e applicazioni

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

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ARTICOLI DISCUSSI:

Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. Ottimizzazione della crescita dei cristalli per la cristallografia macromolecolare di neutroni. Giornale degli esperimenti visualizzati. (169), E61685 (2021).

Schröder, G. C., Meilleur, F. Raccolta ed elaborazione di dati di cristallografia neutronica per la modellazione di atomi di idrogeno in strutture proteiche. Giornale degli esperimenti visualizzati. (166), E61903 (2020).

Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. Misurazione dell'evoluzione temporale di materiali su scala nanometrica con flusso interrotto e scattering di neutroni a piccolo angolo. Giornale degli esperimenti visualizzati. (174), E62873 (2021).

Bilheux, H. Z. et al. Radiografia a neutroni e tomografia computerizzata di sistemi biologici presso il reattore isotopico ad alto flusso dell'Oak Ridge National Laboratory. Giornale degli esperimenti visualizzati. (171), E61688 (2021).

Stingaciu, L.-R. Studio della dinamica delle proteine tramite spettroscopia eco di spin neutronico. Giornale degli esperimenti visualizzati. (182), E61862 (2022).

Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. Spettroscopia eco spin neutronica come sonda unica per la dinamica della membrana lipidica e le interazioni membrana-proteina. Giornale degli esperimenti visualizzati. (171), E62396 (2021).

Discussion

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Le tecniche di diffusione e diffrazione dei neutroni sono particolarmente sensibili alla posizione e alla dinamica degli atomi di idrogeno nei materiali e sono potenti strumenti per la caratterizzazione delle relazioni struttura-dinamica-funzione nei sistemi biologici. La sensibilità dei neutroni agli atomi di idrogeno, e al suo isotopo deuterio, deriva dalla forte interazione dei neutroni con i nuclei di questi atomi. Questa proprietà rende le informazioni disponibili dallo scattering neutronico uniche e un valido complemento ai dati ottenuti dalle tecniche di caratterizzazione strutturale più tipicamente utilizzate nelle scienze biologiche. I neutroni hanno anche il vantaggio di non causare alcun danno misurabile da radiazioni ai campioni biologici.

Questa raccolta riunisce un'ampia gamma di tecniche neutroniche che sono state sviluppate per studiare i sistemi biologici ed esempi delle loro applicazioni. Le strutture di ricerca sui neutroni offrono l'accesso a suite avanzate e non distruttive di strumenti per la caratterizzazione biofisica, che forniscono informazioni strutturali e dinamiche, che vanno da Ångströms a micron e oltre, e da picosecondi a microsecondi, rispettivamente. Le applicazioni dei neutroni in biologia spaziano dall'analisi di singoli atomi di idrogeno negli enzimi all'analisi su macroscala di complessi biologici, membrane e assemblaggi.

Alla scala della lunghezza atomica, la cristallografia macromolecolare dei neutroni è una tecnica che consente ai ricercatori di comprendere la chimica catalizzata dagli enzimi attraverso l'identificazione sperimentale degli atomi di idrogeno essenziali per la catalisi. La cristallografia macromolecolare dei neutroni richiede cristalli di grandi dimensioni per compensare i flussi relativamente bassi dei fasci di neutroni disponibili per condurre esperimenti. Vahdatahar et al.1 dimostrano un protocollo per far crescere cristalli di grandi dimensioni e di alta qualità utilizzando il banco di cristallizzazione OptiCrys. OptiCrys controlla e monitora la temperatura e la concentrazione di un agente di cristallizzazione di un esperimento di microdialisi, consentendo allo sperimentatore di esaminare in modo efficiente il diagramma di fase della proteina per identificare e modulare le condizioni ottimali di crescita dei cristalli. Schröder e Meilleur2 dimostrano come vengono maneggiati cristalli di grandi dimensioni per raccogliere dati cristallografici neutronici a temperatura ambiente e criogenica. Questi autori dimostrano anche come eseguire il raffinamento cristallografico di un modello proteico rispetto ai soli dati neutronici, o il raffinamento congiunto rispetto ai dati neutronici e ai raggi X.

La diffusione di neutroni a piccolo angolo (SANS) è una tecnica a bassa risoluzione utilizzata per ottenere informazioni strutturali da complessi biologici a livello molecolare. La SANS risolta nel tempo consente di seguire l'evoluzione strutturale dei complessi nel tempo quando le condizioni vengono modificate. Kelley et al.3 descrivono un ambiente di campionamento SANS a flusso interrotto che supporta la miscelazione rapida di campioni liquidi biologici, studiando la loro evoluzione strutturale su scale temporali da secondi a minuti.

La radiografia neutronica e la tomografia computerizzata risolvono le caratteristiche strutturali in campioni biologici dell'ordine di decine di micrometri. Questa tecnica è adatta alla caratterizzazione strutturale di materiali biologici a livello d'organo. Bilheux et al.4 descrivono l'applicazione della radiografia neutronica in fisiologia vegetale e applicazioni biomediche. Gli autori descrivono la preparazione del campione, la strategia di acquisizione dei dati e l'analisi dei dati.

I neutroni non solo caratterizzano dove si trovano gli atomi (strutture), ma anche come gli atomi si muovono (dinamica). L'eco di spin neutronico (NSE) è una potente tecnica per studiare la dinamica dei sistemi biologici su una scala temporale di diverse decine di nanosecondi. Stingaciu5 descrive l'applicazione dell'NSE per studiare la dinamica di una proteina anticorpale umana e di una proteina intrinsecamente disordinata. Ogni fase, dalla preparazione del campione alla raccolta e all'analisi dei dati e alle simulazioni dinamiche assistite da computer, viene introdotta. L'NSE può anche sondare la dinamica delle membrane biologiche, poiché Kumarage et al.6 dimostrano un protocollo per la misura della dinamica di una membrana lipidica modello.

Lo scattering di neutroni è un potente strumento per studiare la relazione struttura-dinamica-funzione nel materiale biologico. I recenti sviluppi nella preparazione dei campioni, nella strumentazione e nell'analisi dei dati stanno consentendo di affrontare questioni biologiche più complesse. Questa raccolta di metodi fornisce ai ricercatori tecniche che forniscono una visione unica del comportamento dei sistemi biologici.

Disclosures

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

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Gli autori non hanno riconoscimenti.

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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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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