$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Techniki rozpraszania i dyfrakcji neutronów są wyjątkowo czułe na położenie i dynamikę atomów wodoru w materiałach i są potężnymi narzędziami do charakteryzowania relacji struktura-dynamika-funkcja w systemach biologicznych. Wrażliwość neutronów na atomy wodoru i na jego izotop deuter wynika z silnego oddziaływania neutronów z jądrami tych atomów. Ta właściwość sprawia, że informacje dostępne z rozpraszania neutronów są unikalne i stanowią cenne uzupełnienie danych uzyskanych za pomocą technik charakterystyki strukturalnej częściej stosowanych w naukach biologicznych. Neutrony mają również tę zaletę, że nie powodują żadnych mierzalnych uszkodzeń próbek biologicznych spowodowanych promieniowaniem.
Zbiór ten łączy w sobie szeroki zakres technik neutronowych, które zostały opracowane w celu badania systemów biologicznych i przykładów ich zastosowań. Ośrodki badawcze neutronów oferują dostęp do zaawansowanych, nieniszczących zestawów instrumentów do charakterystyki biofizycznej, które dostarczają informacji o strukturze i dynamice, odpowiednio od Ångströms do mikronów i dalej, oraz od pikosekund do mikrosekund. Zastosowania neutronów w biologii obejmują zarówno analizę pojedynczych atomów wodoru w enzymach, jak i analizę kompleksów biologicznych, membran i zespołów w skali makro.
W skali długości atomowej krystalografia makromolekularna neutronów jest techniką, która umożliwia naukowcom zrozumienie chemii katalizowanej przez enzymy poprzez eksperymentalną identyfikację atomów wodoru, które są niezbędne do katalizy. Krystalografia makromolekularna neutronów wymaga dużych kryształów, aby skompensować stosunkowo niskie strumienie wiązek neutronów dostępnych do przeprowadzania eksperymentów. Vahdatahar i wsp.1 demonstrują protokół do hodowli dużych, wysokiej jakości kryształów przy użyciu stanowiska krystalizacyjnego OptiCrys. OptiCrys kontroluje i monitoruje temperaturę i stężenie czynnika krystalizacyjnego w eksperymencie mikrodializy, umożliwiając eksperymentatorowi efektywne badanie diagramu faz białka w celu zidentyfikowania i modulowania optymalnych warunków wzrostu kryształów. Schröder i Meilleur2 pokazują, w jaki sposób duże kryształy są przetwarzane w celu zbierania danych krystalograficznych neutronów w temperaturach otoczenia i kriogenicznych. Autorzy ci pokazują również, jak przeprowadzić udoskonalenie krystalograficzne modelu białkowego na podstawie samych danych neutronowych lub wspólne udoskonalenie na podstawie danych neutronowych i rentgenowskich.
Rozpraszanie neutronów pod małym kątem (SANS) to technika o niskiej rozdzielczości stosowana do uzyskiwania informacji strukturalnych z kompleksów biologicznych na poziomie molekularnym. SANS czasowo-rozdzielczy umożliwia śledzenie ewolucji strukturalnej kompleksów w czasie, gdy zmieniają się warunki. Kelley i wsp.3 opisują środowisko próbek SANS o zatrzymanym przepływie, które wspiera szybkie mieszanie próbek cieczy biologicznych, badając ich ewolucję strukturalną w skalach czasowych od sekund do minut.
Radiografia neutronowa i tomografia komputerowa pozwalają na określenie cech strukturalnych próbek biologicznych rzędu kilkudziesięciu mikrometrów. Technika ta nadaje się do strukturalnej charakterystyki materiału biologicznego na poziomie narządów. Bilheux i wsp.4 opisują zastosowanie radiografii neutronowej w fizjologii roślin i zastosowaniach biomedycznych. Autorzy opisują przygotowanie próby, strategię pozyskiwania danych i analizę danych.
Neutrony nie tylko określają, gdzie znajdują się atomy (struktury), ale także jak poruszają się atomy (dynamika). Neutronowe echo spinowe (NSE) to potężna technika badania dynamiki układów biologicznych w skali czasowej kilkudziesięciu nanosekund. Stingaciu5 opisuje zastosowanie NSE do badania dynamiki białka ludzkiego przeciwciała i białka wewnętrznie nieuporządkowanego. Przedstawiono każdy etap, od przygotowania próbki po gromadzenie i analizę danych oraz symulacje dynamiki wspomagane komputerowo. NSE może również badać dynamikę błon biologicznych, ponieważ Kumarage i wsp.6 demonstrują protokół pomiaru dynamiki modelowej błony lipidowej.
Rozpraszanie neutronów jest potężnym narzędziem do badania zależności struktura-dynamika-funkcja w materiale biologicznym. Najnowsze osiągnięcia w zakresie przygotowywania próbek, oprzyrządowania i analizy danych pozwalają na rozwiązywanie bardziej złożonych problemów biologicznych. Zbiory Metod dostarczają naukowcom technik, które dostarczają unikalnego wglądu w zachowanie systemów biologicznych.