Method Article

Neutronenverstrooiing in de biologische wetenschappen: technieken en toepassingen

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

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

BESPREKTE ARTIKELEN:

Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. Optimalisatie van kristalgroei voor neutron macromoleculaire kristallografie. Journal of Visualized Experiments. (169), e61685 (2021).

Schröder, G. C., Meilleur, F. Neutronkristallografiegegevensverzameling en -verwerking voor het modelleren van waterstofatomen in eiwitstructuren. Journal of Visualized Experiments. (166), e61903 (2020).

Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. Meten van de tijdsevolutie van nanoschaalmaterialen met stopped-flow en kleinhoekige neutronenscattering. Journal of Visualized Experiments. (174), e62873 (2021).

Bilheux, H. Z. et al. Neutronenradiografie en computertomografie van biologische systemen in de Oak Ridge National Laboratory's high flux isotope reactor. Journal of Visualized Experiments. (171), e61688 (2021).

Stingaciu, L.-R. Studie van eiwitdynamica via neutronenspinechospectroscopie. Journal of Visualized Experiments. (182), e61862 (2022).

Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. Neutronenspinechospectroscopie als een unieke sonde voor lipidemembraandynamica en membraaneiwitinteracties. Journal of Visualized Experiments. (171), e62396 (2021).

Discussion

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

Neutronscattering- en diffractietechnieken zijn uniek gevoelig voor de positie en dynamica van waterstofatomen in materialen en zijn krachtige hulpmiddelen voor de karakterisering van structuur-dynamica-functierelaties in biologische systemen. De gevoeligheid van neutronen voor waterstofatomen, en voor het isotoop deuterium, komt voort uit de sterke interactie van neutronen met de kernen van deze atomen. Deze eigenschap maakt de beschikbare informatie uit neutronscattering uniek en een waardevolle aanvulling op gegevens verkregen uit structurele karakteriseringstechnieken die meer typisch worden gebruikt in de biologische wetenschappen. Neutronen hebben ook het voordeel dat ze geen meetbaar stralingsschade veroorzaken aan biologische monsters.

Deze collectie brengt een breed scala aan neutrontechnieken samen die zijn ontwikkeld om biologische systemen te bestuderen en voorbeelden van hun toepassingen. Neutrononderzoeksfaciliteiten bieden toegang tot geavanceerde, niet-destructieve suites van instrumenten voor biofysische karakterisering, die structuur- en dynamische informatie verschaffen, variërend van Ångströms tot microns en verder, en van picoseconden tot microseconden, respectievelijk. Neutrontoepassingen in de biologie variëren van de analyse van individuele waterstofatomen in enzymen tot de macro-schaalanalyse van biologische complexen, membranen en assemblages.

Op atoomlengteschaal is neutron macromoleculaire kristallografie een techniek die onderzoekers in staat stelt de chemie gekatalyiseerd door enzymen te begrijpen door experimenteel waterstofatomen te identificeren die essentieel zijn voor katalyse. Neutron macromoleculaire kristallografie vereist grote kristallen om de relatief lage fluxen van de beschikbare neutronbundels te compenseren om experimenten uit te voeren. Vahdatahar et al.1 demonstreren een protocol om grote, hoge kwaliteit kristallen te laten groeien met behulp van de OptiCrys kristallisatiebank. OptiCrys beheerst en bewaakt de temperatuur en concentratie van een kristallisatiemiddel van een microdialyse-experiment, waardoor de experimentator efficiënt het eiwitfasediagram kan onderzoeken om optimale kristalgroeiomstandigheden te identificeren en te moduleren. Schröder en Meilleur2 demonstreren hoe grote kristallen worden behandeld om neutronkristallografische gegevens te verzamelen bij kamertemperatuur en cryogeen temperaturen. Deze auteurs demonstreren ook hoe kristallografische verfijning van een eiwitmodel tegen neutrongegevens alleen, of gezamenlijke verfijning tegen neutron- en X-ray-gegevens kan worden uitgevoerd. 

Kleinhoekige neutronscattering (SANS) is een lagere resolutietechniek die wordt gebruikt om structurele informatie te verkrijgen van biologische complexen op moleculair niveau. Tijdsafhankelijke SANS maakt het mogelijk om de structurele evolutie van complexen in de tijd te volgen wanneer de omstandigheden worden gewijzigd. Kelley et al.3 beschrijven een gestopt-flow SANS-monsteromgeving die de snelle menging van biologische vloeibare monsters ondersteunt, en hun structurele evolutie bestudeert op tijdschalen van seconden tot minuten.

Neutronenradiografie en computertomografie lossen structurele kenmerken in biologische monsters op in de orde van tientallen micrometers op. Deze techniek is geschikt voor structurele karakterisering van biologische materialen op orgaanniveau. Bilheux et al.4 beschrijven de toepassing van neutronenradiografie in de plantenfysiologie en biomedische toepassingen. De auteurs beschrijven monstervoorbereiding, data-acquisitiestrategie en data-analyse.  

Neutronen karakteriseren niet alleen waar atomen zich bevinden (structuren), maar ook hoe atomen bewegen (dynamica). Neutronspinecho (NSE) is een krachtige techniek om de dynamica van biologische systemen te bestuderen op de tijdschaal van enkele tientallen nanoseconden. Stingaciu5 beschrijft de toepassing van NSE om de dynamica van een humaan antilichaam eiwit en van een intrinsiek gestoord eiwit te bestuderen. Elke stap, van monstervoorbereiding tot dataverzameling en analyse en computerondersteunde dynamica-simulaties worden geïntroduceerd. NSE kan ook de dynamica van biologische membranen onderzoeken, zoals Kumarage et al.6 een protocol demonstreren voor de meting van de dynamica van een modellipidemembraan.

Neutronscattering is een krachtig hulpmiddel om de structuur-dynamica-functierelatie in biologisch materiaal te onderzoeken. Recente ontwikkelingen in monstervoorbereiding, instrumentatie en data-analyse maken het mogelijk om complexere biologische vragen aan te pakken. Deze methodencollectie biedt onderzoekers technieken die unieke inzichten bieden in het gedrag van biologische systemen.

Disclosures

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

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

De auteurs hebben geen erkenningen.

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