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Espalhamento de nêutrons nas ciências biológicas: técnicas e aplicações

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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ARTIGOS DISCUTIDOS:

Vahdatahar, E., Junius, N., Budayova-Spano, M. Otimização do crescimento de cristais para cristalografia macromolecular de nêutrons. Jornal de Experimentos Visualizados. (169), e61685 (2021).

Schröder, G. C., Meilleur, F. Coleta e processamento de dados de cristalografia de nêutrons para modelagem de átomos de hidrogênio em estruturas de proteínas. Jornal de Experimentos Visualizados. (166), e61903 (2020).

Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. Medindo a tempo-evolução de materiais do nanoscale com dispersão do nêutron do parado-fluxo e do pequeno-ângulo. Jornal de Experimentos Visualizados. (174), e62873 (2021).

Bilheux, H. Z. et al. Radiografia de nêutrons e tomografia computadorizada de sistemas biológicos no reator de isótopos de alto fluxo do Oak Ridge National Laboratory. Jornal de Experimentos Visualizados. (171), e61688 (2021).

Stingaciu, L.-R. Estudo da dinâmica de proteínas via espectroscopia de eco de spin de nêutrons. Jornal de Experimentos Visualizados. (182), e61862 (2022).

Kumarage, T., Nguyen, J., Ashkar, R. Espectroscopia de eco de spin de nêutrons como uma sonda única para dinâmica de membrana lipídica e interações membrana-proteína. Jornal de Experimentos Visualizados. (171), e62396 (2021).

Discussion

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As técnicas de espalhamento e difração de nêutrons são exclusivamente sensíveis à posição e dinâmica dos átomos de hidrogênio em materiais e são ferramentas poderosas para a caracterização das relações estrutura-dinâmica-função em sistemas biológicos. A sensibilidade dos nêutrons aos átomos de hidrogênio e ao seu isótopo deutério surge da forte interação dos nêutrons com os núcleos desses átomos. Essa propriedade torna as informações disponíveis do espalhamento de nêutrons únicas e um complemento valioso para os dados obtidos a partir de técnicas de caracterização estrutural mais tipicamente usadas em ciências biológicas. Os nêutrons também têm a vantagem de não causar nenhum dano mensurável por radiação às amostras biológicas.

Esta coleção reúne uma ampla gama de técnicas de nêutrons que foram desenvolvidas com o objetivo de estudar sistemas biológicos e exemplos de suas aplicações. As instalações de pesquisa de nêutrons oferecem acesso a conjuntos avançados e não destrutivos de instrumentos para caracterização biofísica, que fornecem informações estruturais e dinâmicas, abrangendo de Ångströms a mícrons e além, e de picossegundos a microssegundos, respectivamente. As aplicações de nêutrons em biologia variam desde a análise de átomos de hidrogênio individuais em enzimas até a análise em macroescala de complexos biológicos, membranas e conjuntos.

Na escala de comprimento atômico, a cristalografia macromolecular de nêutrons é uma técnica que permite aos pesquisadores entender a química catalisada por enzimas por meio da identificação experimental de átomos de hidrogênio essenciais para a catálise. A cristalografia macromolecular de nêutrons requer grandes cristais para compensar os fluxos relativamente baixos dos feixes de nêutrons disponíveis para realizar experimentos. Vahdatahar et al.1 demonstram um protocolo para cultivar cristais grandes e de alta qualidade usando a bancada de cristalização OptiCrys. O OptiCrys controla e monitora a temperatura e a concentração de um agente de cristalização de um experimento de microdiálise, permitindo que o experimentador pesquise com eficiência o diagrama de fases da proteína para identificar e modular as condições ideais de crescimento do cristal. Schröder e Meilleur2 demonstram como grandes cristais são manipulados para coletar dados cristalográficos de nêutrons em temperaturas ambientes e criogênicas. Esses autores também demonstram como realizar o refinamento cristalográfico de um modelo de proteína apenas com dados de nêutrons ou o refinamento conjunto com dados de nêutrons e raios-X.

O espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo (SANS) é uma técnica de baixa resolução usada para obter informações estruturais de complexos biológicos em nível molecular. O SANS resolvido no tempo permite acompanhar a evolução estrutural dos complexos ao longo do tempo quando as condições são alteradas. Kelley et al.3 descrevem um ambiente de amostra SANS de fluxo interrompido que suporta a mistura rápida de amostras líquidas biológicas, estudando sua evolução estrutural em escalas de tempo de segundos a minutos.

A radiografia de nêutrons e a tomografia computadorizada resolvem características estruturais em amostras biológicas da ordem de dezenas de micrômetros. Esta técnica é adequada para a caracterização estrutural de materiais biológicos no nível do órgão. Bilheux et al.4 descrevem a aplicação da radiografia de nêutrons em fisiologia vegetal e aplicações biomédicas. Os autores descrevem a preparação da amostra, a estratégia de aquisição de dados e a análise dos dados.

Os nêutrons não apenas caracterizam onde os átomos estão (estruturas), mas também como os átomos se movem (dinâmica). O eco de spin de nêutrons (NSE) é uma técnica poderosa para estudar a dinâmica de sistemas biológicos na escala de tempo de várias dezenas de nanossegundos. Stingaciu5 descreve a aplicação da NSE para estudar a dinâmica de uma proteína de anticorpo humano e de uma proteína intrinsecamente desordenada. Cada etapa, desde a preparação da amostra até a coleta e análise de dados e simulações dinâmicas auxiliadas por computador, são introduzidas. A NSE também pode investigar a dinâmica das membranas biológicas, como Kumarage et al.6 demonstram um protocolo para a medição da dinâmica de uma membrana lipídica modelo.

O espalhamento de nêutrons é uma ferramenta poderosa para investigar a relação estrutura-dinâmica-função em material biológico. Desenvolvimentos recentes na preparação de amostras, instrumentação e análise de dados estão permitindo que questões biológicas mais complexas sejam abordadas. Esta Coleção de Métodos fornece aos pesquisadores técnicas que fornecem uma visão única sobre o comportamento dos sistemas biológicos.

Disclosures

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Os autores não têm nada a divulgar.

Acknowledgements

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Os autores não têm agradecimentos.

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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