Neutronenspectroscopie met hoge resolutie om picoseconde-nanosecondedynamiek van eiwitten en hydratatiewater te bestuderen

Neutronenbackscatterings meten de globale diffusie en interne dynamiek van eiwitten en hydratatiewater zonder stralingsschade. Neutronenspectroscopie heeft tegelijkertijd toegang tot ruimtelijke en tijdscorrelaties op moleculair niveau. In zachte materie en biologische materialen is het bijzonder interessant om indirecte informatie te verkrijgen over de lokale orde op deze langeafstandsstoornissystemen.

Dus neutronenverstrooiing kan worden gebruikt om dynamica in biologie, scheikunde of materiële zin te bestuderen. Een ander sterk veld is energie, met studies over bijvoorbeeld batterijen en brandstofcellen. Neutronenverstrooiing is met succes gebruikt om de moleculaire dynamiek te bestuderen van eiwitten die betrokken zijn bij neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer en Parkinson.

De verkregen resultaten helpen ons de moleculaire kenmerken van deze pathologieën beter te begrijpen en kunnen de weg vrijmaken voor het ontwikkelen van betere diagnostiek. Om de monsterhouder voor te bereiden, begint u met het grondig reinigen van een platte aluminium monsterhouder en de indiumdraadafdichting en schroeven met water, gevolgd door ethanol en laat u deze vervolgens drogen. Weeg de verschillende delen van de monsterhouder, inclusief de bodem, het deksel en de indiumdraad, afzonderlijk af op een precisiebalans.

Plaats de indiumdraadafdichting van één millimeter in de groef van het onderste deel van de monsterhouder en laat een kleine overlap achter waar de twee uiteinden samenkomen. Voeg ongeveer 100 milligram gelyofiliseerd eiwit toe, zodat het het binnenoppervlak van het onderste deel van de monsterhouder vult. Plaats vervolgens de monsterhouder gedurende 24 uur in een exsiccator met een petrischaaltje met fosforpentoxidepoeder om het eiwitpoeder volledig te drogen.

Weeg het gedroogde onderste deel van de monsterhouder met het indiumzegel en het gedroogde poeder af om de massa van het gedroogde monster te verkrijgen. Verwijder de fosforpentoxide uit de exsiccator en plaats een petrischaaltje met deuteriumoxide en het monster erin om het poeder te hydrateren. Herhaal het drogen en hydrateren drie keer voor volledige uitwisseling van waterstof naar deuterium.

Meet de poedermassa regelmatig om het hydratatieniveau te controleren en wanneer de hydratatie iets boven het gewenste niveau ligt, wacht dan tot de massa langzaam afneemt. Zodra de gewenste hydratatie is verkregen, plaatst u snel het deksel op het onderste deel en sluit u de monsterhouder eerst met vier schroeven om de dampuitwisseling te stoppen. Plaats en draai alle resterende schroeven vast totdat er geen opening zichtbaar is tussen het onderste deel en het deksel.

Weeg de verzegelde monsterhouder af om te controleren op mogelijk hydratatieverlies via lekken na het neutronenexperiment. Om het vloeibare toestandsmonster te bereiden, lost u het eiwit op in de gedeutereerde buffer. Bepaal met behulp van water het juiste volume vloeistof dat in de monsterhouder moet worden gedaan.

Voordat u een materiaal hanteert, moet u ervoor zorgen dat de ioniserende stralingsdosis minder dan 100 microsievert per uur is. Droog vervolgens de monsterstok grondig af en verwijder eventuele eerdere monsters. Plaats het monster op de monsterstaaf, controleer op de juiste centrering ten opzichte van het middelpunt van de bundel en steek de monsterstok in de cryooven.

Om gegevens in Nomad te verkrijgen, gaat u naar het tabblad Uitvoering en sleept u een cryostaatcontroller voor ovens naar het lanceerplatform. Stel de temperatuur in op 200 Kelvin. Gebruik de snelle modus en een time-out van 30 minuten zodat de temperatuur de tijd heeft om te stabiliseren.

Klik op het opfrispictogram om de temperatuurstijging op de achtergrond uit te voeren voor gegevensverzameling tijdens de temperatuurdaling. Sleep de IN16 Doppler-instellingencontroller naar het launchpad. Stel het snelheidsprofiel in op nauwkeurige snelheid, de set door op max delta E, de energie-offset op 0,00 micro-elektronvolt en het aantal kanalen op 128 om een elastische vaste vensterscanconfiguratie te verkrijgen.

Sleep een telcontroller naar het launchpad, vul het ondertitelveld met een naam waarmee de gegevens eenvoudig kunnen worden geïdentificeerd en stel scans van 30 seconden in met 60 herhalingen. Sleep vervolgens de IN16 Doppler-instellingencontroller naar het launchpad. Stel het snelheidsprofiel in om te ondertekenen, de ingestelde op snelheid met een waarde van 4,5 meter per seconde en het aantal kanalen op 2048 om een quasi-elastische neutronenverstrooiingsconfiguratie te verkrijgen.

Sleep een telcontroller en vul het ondertitelveld met een naam waarmee de gegevens eenvoudig kunnen worden geïdentificeerd. Stel scans van 30 minuten in met vier herhalingen. Voor de temperatuurhelling sleept en laat u een oven-cryostaatcontroller vallen, stelt u de temperatuur in op 310 Kelvin en stelt u de oprit gedurende zes seconden in op het instelpunt met een delta van 0,05 Kelvin.

Gebruik een time-out van 200 minuten. Gebruik een for-lus met 65 herhalingen. Plaats binnenin een IN16 doppler-instellingencontroller, gevolgd door de telcontroller en stel een enkele scan van 30 seconden in.

Plaats vervolgens IN16 Doppler-instellingen zoals eerder beschreven, maar met een energie-offset van 1,5 micro-elektronvolt en 1024 kanalen. Plaats vervolgens de telcontroller en stel een enkele scan van drie minuten in. Om de laatste quasi-elastische neutronenverstrooiing van 312 Kelvin te verkrijgen, sleept u de IN16 Doppler-instellingen en telcontrollers die zijn geconfigureerd zoals eerder gedemonstreerd.

Druk vervolgens op de startknop om het script uit te voeren. De lysosoomelastische en inelastische vaste vensterscans toonden een toename van het signaal bij lage momentumoverdracht en lage energieoverdracht, terwijl het signaal bij hoge energieoverdracht en lage momentumoverdracht afnam. Het oorspronkelijke centrum van de massadiffusiecoëfficiënt was 15 angstrom in het kwadraat per nanoseconde, die vervolgens exponentieel afnam in de loop van de tijd.

Bij temperaturen hoger dan 220 Kelvin was het hydratatiewater rond de tauvezels aanzienlijk mobieler dan rond de tau-monomeren. De fractie van watermoleculen die een translationele beweging ondergingen en zowel de translatie- als rotatiediffusiecoëfficiënten van de watermoleculen werden rond vezels verhoogd. De eiwitconcentratie moet 2000 milligram per ml zijn of ten minste 20 milligram per ml voor geproteïniseerde eiwitten als gevolg van neutronenterugverstrooiingsbeperkingen door neutronenflux of bufferachtergrond van de monsterhouder.

Neutronen backscattering is onlangs toegepast, bijvoorbeeld om te begrijpen hoe water, de natuurlijke milieu-eiwitten, volledig kan worden vervangen door een synthetisch polymeer voor biotechnologische toepassingen zoals bijvoorbeeld medicijnafgifte.