$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Методы рассеяния нейтронов и дифракции обладают уникальной чувствительностью к положению и динамике атомов водорода в материалах и являются мощными инструментами для определения характеристик взаимосвязей структура-динамика-функция в биологических системах. Чувствительность нейтронов к атомам водорода и его изотопу дейтерию обусловлена сильным взаимодействием нейтронов с ядрами этих атомов. Это свойство делает информацию, полученную в результате рассеяния нейтронов, уникальной и ценным дополнением к данным, полученным с помощью методов структурного характеризации, более типичных для биологических наук. Нейтроны также имеют преимущество в том, что они не вызывают какого-либо измеримого радиационного повреждения биологических образцов.
В этой коллекции собран широкий спектр нейтронных методов, разработанных для изучения биологических систем, и примеры их применения. Установки для нейтронных исследований предлагают доступ к передовым неразрушающим наборам инструментов для биофизической характеризации, которые предоставляют структурную и динамическую информацию, охватывающую диапазон от ангстрема до микрон и выше, а также от пикосекунд до микросекунд соответственно. Применение нейтронов в биологии варьируется от анализа отдельных атомов водорода в ферментах до макромасштабного анализа биологических комплексов, мембран и сборок.
В масштабе атомов нейтронная макромолекулярная кристаллография — это метод, который позволяет исследователям понять химию, катализируемую ферментами, путем экспериментального определения атомов водорода, которые необходимы для катализа. Нейтронная макромолекулярная кристаллография требует больших кристаллов для компенсации относительно низких потоков пучков нейтронов, доступных для проведения экспериментов. Vahdatahar et al.1 демонстрируют протокол выращивания крупных высококачественных кристаллов с использованием кристаллизационного стенда OptiCrys. OptiCrys контролирует и отслеживает температуру и концентрацию кристаллизационного агента в эксперименте по микродиализу, позволяя экспериментатору эффективно исследовать фазовую диаграмму белка для определения и модуляции оптимальных условий роста кристаллов. Шредер и Мейер2 демонстрируют, как большие кристаллы обрабатываются для сбора нейтронных кристаллографических данных при температуре окружающей среды и криогенных температурах. Эти авторы также демонстрируют, как выполнить кристаллографическое уточнение модели белка только на основе нейтронных данных или совместное уточнение на основе нейтронных и рентгеновских данных.
Малоугловое рассеяние нейтронов (SANS) — это метод с низким разрешением, используемый для получения структурной информации из биологических комплексов на молекулярном уровне. SANS с временным разрешением позволяет проследить структурную эволюцию комплексов с течением времени при изменении условий. Kelley et al.3 описывают среду образцов SANS с остановленным потоком, которая поддерживает быстрое смешивание биологических жидких образцов, изучая их структурную эволюцию на временных масштабах от секунд до минут.
Нейтронная радиография и компьютерная томография разрешают структурные особенности в биологических образцах с точностью до десятков микрометров. Этот метод подходит для структурной характеристики биологических материалов на уровне органов. Bilheux et al.4 описывают применение нейтронной радиографии в физиологии растений и биомедицинских приложениях. Авторы описывают подготовку образцов, стратегию сбора данных и анализ данных.
Нейтроны характеризуют не только расположение атомов (структуры), но и то, как атомы движутся (динамика). Спиновое эхо нейтронов (NSE) является мощным методом изучения динамики биологических систем на временном масштабе в несколько десятков наносекунд. Stingaciu5 описывает применение NSE для изучения динамики белка антитела человека и внутренне неупорядоченного белка. Каждый этап, от подготовки образца до сбора и анализа данных, а также компьютерного динамического моделирования, вводится в исследование. NSE также может исследовать динамику биологических мембран, поскольку Kumarage et al.6 демонстрируют протокол измерения динамики модельной липидной мембраны.
Рассеяние нейтронов является мощным инструментом для исследования взаимосвязи структура-динамика-функция в биологическом материале. Последние разработки в области пробоподготовки, приборов и анализа данных позволяют решать более сложные биологические вопросы. Эта коллекция методов предоставляет исследователям методы, которые дают уникальное представление о поведении биологических систем.