Method Article

생물학에서의 중성자 산란: 기술 및 응용

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

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

논의 된 기사 :

Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. 중성자 고분자 결정학을 위한 결정 성장 최적화. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (169), e61685 (2021).

Schröder, G. C., Meilleur, F. 단백질 구조에서 수소 원자를 모델링하기 위한 중성자 결정학 데이터 수집 및 처리. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (166), e61903 (2020).

Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. 정지 흐름 및 소각 중성자 산란을 통한 나노 크기 물질의 시간 진화 측정. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (174), e62873 (2021).

Bilheux, H. Z. et al. Oak Ridge National Laboratory의 고 플럭스 동위 원소 반응기에서 생물학적 시스템의 중성자 방사선 촬영 및 컴퓨터 단층 촬영. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (171), e61688 (2021).

스팅가치, L.-R. 중성자 스핀 에코 분광법을 통한 단백질 역학 연구. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (182), e61862 (2022).

Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. 지질막 역학 및 막-단백질 상호 작용에 대한 고유한 프로브로서의 중성자 스핀 에코 분광법. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (171), e62396 (2021).

Discussion

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중성자 산란 및 회절 기술은 물질 내 수소 원자의 위치와 역학에 고유하게 민감하며 생물학적 시스템의 구조-역학-기능 관계를 특성화하기 위한 강력한 도구입니다. 수소 원자 및 그 동위원소 중수소에 대한 중성자의 민감성은 중성자와 이러한 원자의 핵의 강한 상호 작용으로 인해 발생합니다. 이 특성은 중성자 산란에서 얻을 수 있는 정보를 독특하게 만들고 생물학에서 더 일반적으로 사용되는 구조 특성화 기술에서 얻은 데이터를 귀중한 보완으로 만듭니다. 중성자는 또한 생물학적 샘플에 측정 가능한 방사선 손상을 일으키지 않는다는 장점이 있습니다.

이 컬렉션은 생물학적 시스템과 그 응용 사례를 연구하기 위해 개발된 광범위한 중성자 기술을 한데 모았습니다. 중성자 연구 시설은 생물물리학적 특성화를 위한 고급 비파괴 장비 제품군에 대한 액세스를 제공하며, 이는 각각 Ångströms에서 미크론 이상, 피코초에서 마이크로초에 이르는 구조 및 동적 정보를 제공합니다. 생물학에서 중성자 응용은 효소의 개별 수소 원자 분석부터 생물학적 복합체, 막 및 조립체의 거시적 분석에 이르기까지 다양합니다.

원자 길이 척도에서 중성자 고분자 결정학은 촉매 작용에 필수적인 수소 원자를 실험적으로 식별함으로써 연구자들이 효소에 의해 촉매되는 화학을 이해할 수 있도록 하는 기술입니다. 중성자 고분자 결정학은 실험을 수행하는 데 사용할 수 있는 중성자빔의 상대적으로 낮은 플럭스를 보상하기 위해 큰 결정이 필요합니다. Vahdatahar et al.1 은 OptiCrys 결정화 벤치를 사용하여 크고 고품질의 결정을 성장시키는 프로토콜을 시연합니다. OptiCryes는 미세 투석 실험의 결정화제의 온도와 농도를 제어하고 모니터링하여 실험자가 단백질 위상 다이어그램을 효율적으로 조사하여 최적의 결정 성장 조건을 식별하고 조절할 수 있도록 합니다. Schröder와 Meilleur2 는 주변 및 극저온에서 중성자 결정학 데이터를 수집하기 위해 큰 결정을 처리하는 방법을 보여줍니다. 이 저자들은 또한 중성자 데이터에만 대해 단백질 모델의 결정학적 미세 조정을 수행하거나 중성자 및 X선 데이터에 대해 공동 미세 조정을 수행하는 방법을 보여줍니다.

소각 중성자 산란(SANS)은 분자 수준에서 생물학적 복합체로부터 구조 정보를 얻는 데 사용되는 저해상도 기술입니다. 시간 분해 SANS를 사용하면 조건이 변경될 때 시간이 지남에 따라 복합체의 구조적 진화를 추적할 수 있습니다. Kelley et al.3 은 생물학적 액체 샘플의 빠른 혼합을 지원하는 정지 흐름 SANS 샘플 환경을 설명하고 몇 초에서 몇 분의 시간 척도에서 구조적 진화를 연구합니다.

중성자 방사선 촬영과 컴퓨터 단층 촬영은 수십 마이크로미터 정도의 생물학적 샘플의 구조적 특징을 해결합니다. 이 기술은 장기 수준에서 생물학적 물질의 구조적 특성화에 적합합니다. Bilheux et al.4 는 식물 생리학 및 생물 의학 응용 분야에서 중성자 방사선 촬영의 적용을 설명합니다. 저자는 샘플 준비, 데이터 수집 전략 및 데이터 분석에 대해 설명합니다.

중성자는 원자가 있는 위치(구조)뿐만 아니라 원자가 움직이는 방식(역학)도 특성화합니다. 중성자 스핀 에코(NSE)는 수십 나노초의 시간 척도에서 생물학적 시스템의 역학을 연구하는 강력한 기술입니다. Stingaciu5 는 인간 항체 단백질과 본질적으로 무질서한 단백질의 역학을 연구하기 위한 NSE의 적용을 설명합니다. 샘플 준비에서 데이터 수집 및 분석, 컴퓨터 지원 역학 시뮬레이션에 이르기까지 각 단계가 소개됩니다. NSE는 또한 Kumarage et al.6 이 모델 지질막의 역학 측정을 위한 프로토콜을 입증함에 따라 생물학적 막의 역학을 조사할 수 있습니다.

중성자 산란은 생물학적 물질의 구조-역학-기능 관계를 조사하는 강력한 도구입니다. 시료 준비, 계측 및 데이터 분석의 최근 발전으로 인해 보다 복잡한 생물학적 문제를 해결할 수 있게 되었습니다. 이 방법 모음은 연구자에게 생물학적 시스템의 동작에 대한 고유한 통찰력을 제공하는 기술을 제공합니다.

Disclosures

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저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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

저자는 인정하지 않습니다.

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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