Нейтронная спектроскопия высокого разрешения для исследования пикосекундно-наносекундной динамики белков и гидратационной воды

Обратные рассеяния нейтронов измеряют глобальную диффузию и внутреннюю динамику белков и гидратационной воды без радиационного повреждения. Нейтронная спектроскопия одновременно обращается к пространственным и временным корреляциям на молекулярном уровне. В мягкой материи и биологических материалах особенно интересно получить косвенную информацию о локальном порядке в этих системах расстройств дальнего действия.

Таким образом, обратное рассеяние нейтронов может быть использовано для изучения динамики в биологии, химии или материальном смысле. Еще одной сильной областью является энергетика, с исследованиями, например, по батареям и топливным элементам. Обратное рассеяние нейтронов успешно используется для изучения молекулярной динамики белков, участвующих в нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.

Полученные результаты помогают нам лучше понять молекулярные признаки этих патологий и могут проложить путь к разработке лучшей диагностики. Чтобы подготовить держатель образца, начните с тщательной очистки плоского алюминиевого держателя образца, его уплотнения и винтов из индиевой проволоки водой, затем этанолом, а затем дайте ему высохнуть. Взвесьте различные части держателя образца, включая дно, крышку и индиевую проволоку, отдельно на прецизионных весах.

Поместите одномиллиметровое уплотнение из индиевой проволоки в канавку нижней части держателя образца, оставив небольшое перекрытие в месте соединения двух концов. Добавьте около 100 миллиграммов лиофилизированного белка так, чтобы он заполнил внутреннюю поверхность нижней части держателя образца. Затем поместите держатель образца в эксикатор с чашкой Петри, содержащей порошок пятиокиси фосфора, на 24 часа, чтобы полностью высушить протеиновый порошок.

Взвесьте высушенную нижнюю часть держателя образца, содержащую индиевую печать и высушенный порошок, чтобы получить массу высушенного образца. Удалите пятиокись фосфора из эксикатора и поместите внутрь чашку Петри с оксидом дейтерия, а также образец для гидратации порошка. Повторите сушку и гидратацию три раза для полного обмена водорода на дейтерий.

Регулярно измеряйте массу порошка, чтобы проверить уровень гидратации, и когда гидратация немного превысит желаемый уровень, подождите, пока масса медленно уменьшится. Как только желаемая гидратация будет получена, быстро наденьте крышку на нижнюю часть и сначала закройте держатель образца четырьмя винтами, чтобы остановить парообмен. Установите и затяните все оставшиеся винты до тех пор, пока между нижней частью и крышкой не останется зазора.

Взвесьте герметичный держатель образца, чтобы проверить возможные потери гидратации из-за утечек после нейтронного эксперимента. Чтобы приготовить образец в жидком состоянии, растворите белок в дейтерированном буфере. Используя воду, определите подходящий объем жидкости, которую нужно поместить в держатель образца.

Прежде чем работать с любым материалом, убедитесь, что доза ионизирующего излучения составляет менее 100 микрозивертов в час. Затем тщательно высушите образец и удалите все предыдущие образцы. Поместите образец на палочку для образца, проверьте правильность центрирования относительно центра луча и вставьте палочку для образца в криопечь.

Чтобы получить данные в Nomad, перейдите на вкладку «Выполнение» и перетащите контроллер криостата печи на стартовую панель. Установите температуру 200 Кельвинов. Используйте быстрый режим и тайм-аут в 30 минут, чтобы температура успела стабилизироваться.

Нажмите на значок обновления, чтобы запустить изменение температуры в фоновом режиме для сбора данных во время снижения температуры. Перетащите контроллер доплеровских настроек IN16 на панель запуска. Установите профиль скорости на точную скорость, задайте значение на максимальную дельту E, смещение энергии на 0,00 микроэлектронвольта и количество каналов на 128, чтобы получить конфигурацию эластичного сканирования с фиксированным окном.

Перетащите контроллер подсчета на панель запуска, заполните поле субтитров именем, позволяющим легко идентифицировать данные, и установите сканирование продолжительностью 30 секунд с 60 повторениями. Затем перетащите контроллер доплеровских настроек IN16 на панель запуска. Установите профиль скорости на знак, набор на скорость со значением 4,5 метра в секунду и количество каналов на 2048 для получения квазиупругой конфигурации рассеяния нейтронов.

Перетащите контроллер подсчета и заполните поле субтитров именем, которое позволяет легко идентифицировать данные. Установите сканирование по 30 минут с четырьмя повторениями. Для повышения температуры перетащите контроллер криостата печи, установите температуру на 310 Кельвинов и установите рампу в заданное значение с дельтой 0,05 Кельвина в течение шести секунд.

Используйте тайм-аут 200 минут. Используйте цикл for с 65 повторениями. Внутрь вставьте контроллер доплеровских настроек IN16, затем контроллер подсчета и установите однократное сканирование продолжительностью 30 секунд.

Затем вставьте доплеровские настройки IN16, как описано ранее, но с использованием смещения энергии 1,5 микроэлектронвольт и 1024 каналов. Затем вставьте контроллер подсчета и установите однократное сканирование продолжительностью три минуты. Чтобы получить последнее квазиупругое рассеяние нейтронов в 312 кельвинов, перетащите доплеровские настройки IN16 и контроллеры подсчета, настроенные так, как показано ранее.

Затем нажмите кнопку «Пуск», чтобы запустить сценарий. Сканирование лизосом упругого и неупругого фиксированного окна показало увеличение сигнала при передаче низкого импульса и низкой передаче энергии, в то время как сигнал при передаче высокой энергии и передаче низкого импульса уменьшился. Начальный коэффициент диффузии центра масс составлял 15 ангстрем в квадрате в наносекунду, который затем экспоненциально уменьшался с течением времени.

При температурах выше 220 Кельвинов гидратационная вода вокруг тау-волокон была значительно более подвижной, чем вокруг тау-мономеров. Доля молекул воды, претерпевающих поступательное движение, а также коэффициенты поступательной и вращательной диффузии молекул воды были увеличены вокруг волокон. Концентрация белка должна составлять 2000 миллиграмм на мл или, по меньшей мере, 20 миллиграмм на мл для белковых белков из-за ограничений обратного рассеяния нейтронов из-за потока нейтронов или фона буфера держателя образца.

Обратное рассеяние нейтронов недавно было применено, например, для понимания того, как вода, которая является естественным белком окружающей среды, может быть полностью заменена синтетическим полимером для биотехнологического применения, такого как, например, доставка лекарств.