Method Article

生物科学における中性子散乱:技術と応用

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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議論された記事:

Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. 中性子高分子結晶学のための結晶成長の最適化.視覚化された実験のジャーナル。(169)、E61685(2021)。

Schröder, G. C., Meilleur, F. タンパク質構造における水素原子のモデリングのための中性子結晶学データの収集と処理.視覚化された実験のジャーナル。(166)、E61903(2020)。

Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. 停止流および小角中性子散乱によるナノスケール材料の時間発展の測定.視覚化された実験のジャーナル。(174)、E62873(2021)。

Bilheux, H. Z. et al. オークリッジ国立研究所の高フラックス同位体反応器における生体システムの中性子ラジオグラフィーとコンピューター断層撮影。視覚化された実験のジャーナル。(171)、E61688(2021)。

Stingaciu, L.-R.中性子スピンエコー分光法によるタンパク質ダイナミクスの研究視覚化された実験のジャーナル。(182)、E61862(2022)。

Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. 脂質膜ダイナミクスおよび膜-タンパク質相互作用のユニークなプローブとしての中性子スピンエコー分光法。視覚化された実験のジャーナル。(171)、E62396(2021)。

Discussion

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中性子散乱および回折技術は、材料中の水素原子の位置とダイナミクスに独特に敏感であり、生物学的システムにおける構造-力学-機能関係を特徴付けるための強力なツールです。水素原子およびその同位体重水素に対する中性子の感受性は、中性子とこれらの原子の原子核との強い相互作用から生じます。この特性により、中性子散乱からの情報はユニークであり、生物科学でより一般的に使用される構造特性評価技術から得られたデータを補完する貴重なものになります。中性子には、生体試料に測定可能な放射線損傷を与えないという利点もあります。

このコレクションは、生物学的システムを研究するために開発された幅広い中性子技術とその応用例をまとめたものです。中性子研究施設は、生物物理学的特性評価のための高度な非破壊機器スイートへのアクセスを提供し、それぞれオングストロームからミクロン以上、ピコ秒からマイクロ秒に及ぶ構造と動的情報を提供します。生物学における中性子の応用は、酵素中の個々の水素原子の分析から、生物学的複合体、膜、集合体のマクロスケール分析まで多岐にわたります。

原子長スケールでは、中性子高分子結晶構造解析は、触媒作用に不可欠な水素原子を実験的に同定することで、酵素によって触媒される化学を研究者が理解できるようにする技術です。中性子高分子結晶学では、実験を行うために利用できる中性子ビームの比較的低いフラックスを補うために大きな結晶が必要です。Vahdataharら1は 、OptiCryes結晶化ベンチを使用して、大きくて高品質の結晶を成長させるプロトコルを実証しています。OptiCrysは、マイクロダイアリシス実験の結晶化剤の温度と濃度を制御および監視するため、実験者はタンパク質の状態図を効率的に調査して、最適な結晶成長条件を特定して調整できます。SchröderとMeilleur2 は、周囲温度および極低温で中性子結晶学データを収集するために、大きな結晶をどのように処理するかを示しています。これらの著者はまた、中性子データのみに対してタンパク質モデルの結晶学的改良を実行する方法、または中性子およびX線データに対して共同改良を実行する方法も示しています。

小角中性子散乱 (SANS) は、分子レベルで生物学的複合体から構造情報を取得するために使用される低分解能技術です。時間分解 SANS を使用すると、条件が変化したときの複合体の構造変化を経時的に追跡できます。Kelleyら3は、生体液体サンプルの高速混合をサポートするストップフローSANSサンプル環境を説明 し、数秒から数分の時間スケールで構造進化を研究しています。

中性子X線撮影とコンピューター断層撮影は、数十マイクロメートルオーダーの生物学的サンプルの構造的特徴を解決します。この技術は、臓器レベルでの生体材料の構造特性評価に適しています。Bilheuxら4は、植物生理学および生物医学的応用における中性子X線撮影の応用について説明 しています。著者らは、サンプルの調製、データ取得戦略、およびデータ分析について説明しています。

中性子は、原子がどこにあるか(構造)だけでなく、原子がどのように動くか(ダイナミクス)も特徴付けます。中性子スピンエコー(NSE)は、数十ナノ秒の時間スケールで生物学的システムのダイナミクスを研究するための強力な技術です。Stingaciu5 では、ヒト抗体タンパク質と本質的に無秩序なタンパク質のダイナミクスを研究するためのNSEの応用について説明しています。サンプル調製からデータ収集と分析、コンピューター支援ダイナミクスシミュレーションまでの各ステップが紹介されています。NSEは、Kumarageら6がモデル脂質膜のダイナミクスを測定するためのプロトコルを実証 しているように、生体膜のダイナミクスをプローブすることもできます。

中性子散乱は、生体物質の構造-力学-機能関係を調べるための強力なツールです。サンプル前処理、機器、およびデータ分析における最近の開発により、より複雑な生物学的問題に対処できるようになりました。このメソッドコレクションは、生物学的システムの挙動に関する独自の洞察を提供する技術を研究者に提供します。

Disclosures

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著者らは開示するものは何もない。

Acknowledgements

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著者には謝辞がありません。

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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