JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biochemistry

Kontrast eşleştirme deterjan küçük açı Nötron saçılma deneylerde membran proteini yapısal analiz ve Ab Initio modelleme

Published: October 21, 2018
doi:
10.3791/57901
, , , , ,
1Neutron Scattering Division,Oak Ridge National Laboratory, 2School of Chemistry and Biochemistry,Georgia Institute of Technology

Summary

Bu iletişim kuralı, düşük çözünürlüklü ab initio manken ve yapısal bir deterjan çözündürüldükten membran proteini küçük açı Nötron saçılma kontrast-eşleştirme ile deterjan kullanarak çözümde detaylarını elde etmek gösterilmiştir.

Abstract

Biyolojik küçük açı Nötron saçılma enstrüman High-Flux izotop reaktör, Oak Ridge National Laboratory, biyolojik malzemeler, işleme biyoyakıt ve biyo-ilham malzemeler için nanometre kapsayan soruşturma adanmış mikrometre uzunluğunda ölçekler. Burada fiziksel özelliklerini (Örneğin, boyut ve şekil) membran proteinlerinin soruşturma için sunulan yöntemleri (burada, MmIAP, Methanoculleus marisnigrigelen bir intramembrane aspartyl proteaz) micelle kurma çözümlerinde deterjanlar vardır diğerleri arasında bu küçük açı Nötron saçılma araç için oldukça uygundur. Diğer biyofiziksel karakterizasyonu teknikleri bir protein-deterjan karmaşık yapıda deterjan katkıları gidermek için kendi yetersizlik tarafından engellemiştir. Ayrıca, biyo-Deuteration laboratuvar erişim büyük ölçekli arazisi hazırlama ve protein gelişmiş saçılma sinyal proteinleri döteryum etiketli ifade için benzersiz yetenekleri sağlar. Bu süre tekniği yüksek çözünürlüklü yapısal bilgi sağlamaz, membran proteinlerinin yapısal bilgi boşluğu yakınındaki atomik çözünürlük gerek kalmadan birçok adresli alanda araştırma içerir. Örneğin, bu alanlarda oligomeric Birleşik, karmaşık oluşumu, konformasyon değişiklikleri belirlenmesi sırasında pertürbasyon ve katlama/unfolding olayları içerir. Bu araştırmalar yoluyla bu yöntemin uygulamaları kolayca gerçekleştirilebilir.

Introduction

Membran proteinlerinin tüm genler1 yaklaşık %30 tarafından kodlanmış ve hedefler modern tıbbi ilaçlar için güçlü bir çoğunluğu temsil. 2 bu proteinler hayati hücresel fonksiyonların3 ama onların bereket ve önem rağmen geniş bir dizi gerçekleştirmek — yalnızca toplam yapıları içinde araştırma Collaboratory Yapısal Biyoinformatik (RCSB) Protein için yatırılan yaklaşık % 1’i temsil Veri Bankası. 4 kısmen hidrofobik kendi doğası nedeniyle membran bağlı proteinler yapısal belirlenmesi son derece zorlu olmuştur. 5 , 6 , 7

Birçok biyofiziksel teknikleri ölçüm için çözüm monodisperse parçacıklar gerektiği, membran proteinlerinin yerli membranlar üzerinden yalıtma ve yerel membranlar çözünür bir taklit bu proteinler sabitleme bir etkin alan araştırma son olmuştur on yıl. 8 , 9 , 10 bu soruşturmalar birçok roman amfifilik derlemeler geliştirme için zar proteinleri, nanodiscs,11,12,13 bicelles,14,15 gibi solubilize yol açmıştır ve amphipols. 16 , 17 ancak, deterjan micelles kullanımı belirli bir protein çözünürlük gereksinimlerinin karşılanması için en yaygın ve basit yaklaşımların türlerindendir. 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 ne yazık ki, hiçbir tek deterjan veya deterjanlar sihirli karışımı tüm membran proteinlerinin karşılayan şimdilik; Böylece, bu koşullar her protein benzersiz gereksinimleri için ampirik olarak taranması gerekir. 26 , 27

Deterjanlar kendi kritik micelle konsantrasyon yukarıda çözümünde micelles denilen formu toplu yapıların için kendini topla. Micelles (genellikle 20-200 çeşitli) birçok deterjan monomerleri micelle çekirdek ve sulu solvent bakan bir micelle kabuk katmanda düzenlenmiş hidrofilik baş grupları oluşturan hidrofobik alkil zincirleri ile oluşur. Deterjanlar ve micelle oluşumu davranışını klasik Charles Tanford Hidrofobik etkisi,28 ve boyutları tarafından tarif edilmiştir ve micelles membran protein çalışmalarda yaygın olarak kullanılan deterjanlar gelen şekiller olmuştur küçük açı saçılma kullanarak karakterize. 29 , 30 deterjan örgüt membran proteinlerinin hakkında da eğitim gördü ve protein-deterjan kompleksleri (PDC) oluşumu ile deterjan molekülleri protein düzgün deterjan benzer bir düzenleme çevreleyen bekleniyor micelles. 31

Bir avantaj deterjanlar kullanarak elde edilen micelle özellikleri diğer deterjanlar dahil ederek manipüle eklenir. İdeal karıştırma birçok deterjanlar sergi ve karışık micelles seçme özellikleri bile bileşenleri ve karıştırma oranı tahmin. 22 ancak, deterjan varlığı hala sorunlar biyofiziksel karakterizasyonu için genel sinyal katkıda bulunarak mevcut. Örneğin, x-ışını ve ışık saçılım teknikleri ile deterjan PDC içinde sinyal protein neredeyse ayırt edilemez. 32 tek-parçacık cryo-elektron mikroskobu (cryo-EM) ile araştırmalar genellikle kapana kısılmış (donmuş) parçacıkları üzerinde itimat; yapısal protein ayrıntılarını hala bazı deterjanlar veya arka planına ekler deterjan yüksek konsantrasyon tarafından gizlenmiş. 33 (deterjan da dahil olmak üzere) tam PDC yapısını yorumlama doğru alternatif yaklaşımlar deterjan verilen membran protein çevresinde yeniden inşa etmeye hesaplama yöntemleri ile yapılmıştır. 34

Nötron saçılma durum için deterjan micelle içinde çekirdek-kabuk düzenlenmesi için gözlenen saçılma katkıda bir form faktörü üretir. Neyse ki, öyle ki onlar için net gözlenen saçılma katılmazlar çözüm bileşenlerini değiştirilebilir. Bu “eşleşen kontrast” işlem döteryum için arka plan (arabellek) uygun bir saçılma uzunluğu yoğunluğu sağlamak hidrojen yerine kullanarak elde edilir. Deterjan (kullanılabilir deuterated meslektaşları ile) akıllıca bir seçim ve karıştırma onların oranı dikkate alınmalıdır. Deterjan micelles için bu ikame deuterated alkil zinciri (h-kuyruk yerine d-kuyruk) sahip ama aynı kafa grubu ile bir deterjan kullanarak gerçekleştirilir. Deterjanlar iyi karışık olduğundan,35 ağırlıklı köstebek-kesir bir saçılma uzunluğu yoğunluğu onların toplamları verir ortalama iki bileşenleri (h-kuyrukları ve d-kuyrukları). Bu ortalama kontrast baş grup ile tutarlı olduğunda, tek tip toplu yapıları tam olarak gözlenen saçılma tüm katkılar kaldırmak için eşleştirilir.

Burada döteryum etiketli alkil zincirlerle kimyasal olarak özdeş deterjan molekülleri içeren ile deterjan micelles nötron karşıtlığını değiştirmek için bir iletişim kuralı mevcut. 19 , 36 , 37 bu micelle çekirdek ve Nötron saçılma benzersiz bir yetenektir kabuk tam eşzamanlı aksine eşleşen izin verir. 35 , 38 önemli ölçüde rafine bu ayrıntı düzeyiyle, kontrast eşleşen etkinleştirebilirsiniz membran protein yapıları Aksi takdirde olanaksız çalışmalar. Ayrıca, bu karşıtlık eşleştirme yaklaşım için diğer sistemleri polimer Satım reaksiyonlar39 ve yağ-su dispersant,40 veya bicelles,41 gibi solubilizing bile diğer ajanlar gibi deterjan içeren uzun olabilir nanodiscs,42 ya da blok kopolimerler. 43 A benzer yaklaşım bu el yazması, ancak kısmi döteryum kısaltmaları alkil zinciri ve/veya kafa grubu ile tek bir deterjan tür istihdam Seviyelendirilmiş olarak son zamanlarda yayınlandı. Bu hidrojen ve döteryum deterjan boyunca rasgele dağıtımını geliştirmek için beklenen süre 37 burada anlatılan yaklaşım ikame ve iki adım için deterjan kullanılabilir pozisyonlar sınırlı sayıda karşılaştırıldığında. deterjan sentez pozlar ek zorluklar dikkate için gerekli.

İlk deneme planlama bir kalite teklif için yapılması gereken bu yana adım 1 ve 2 kez aşağıda ayrıntılı Protokolü’nün üst üste. Ancak, öneri gönderme olarak kabul edilir bu işlemin de nötron deney öncesinde başlayan olduğunu vurgulamak için ilk adım olarak. Ayrıca göre teklif gösterdi, bir önkoşul adım nötron çalışmaları ihtiyacını destekleyen örnek (saflık ve istikrar dahil) fiziksel ve biyokimyasal karakterizasyonu sahip olmaktır dikkat edilmelidir. Küçük açı Nötron saçılma (San) genel bir tartışma Bu makalenin kapsamı dışında olduğunu. Kısa ama kapsamlı giriş Malzeme karakterizasyonu Kaufmann,44 ve saçılma kapsamlı bir ders kitabı üzerinde duruldu biyolojik küçük açı çözüm tarafından son yayınlanan başvuru eser bulunmaktadır kullanılabilir. 45 daha fazla tartışma bölümünde önerilen okuma verilir. Küçük açı saçılma sözde saçılma vektör Q dağıtma işlemini açıklar merkezi miktarı olarak kullanır. Bu makalede yaygın olarak kabul gören tanım Q kullanılmaktadır = 4π sin (θ) / λ, θ gelen ve dağınık kiriş ve λ arasında yarım açı nerede dalga boyu Angström nötron radyasyonu. Diğer tanımları farklı kullanım ‘s gibi semboller var ‘ saçılma vektör ve bu faktör 2π veya nanometre Angstrom yerine kullanarak farklı olabilir için (Ayrıca bkz: Şekil 10tartışılması).

Protocol

1. hazırla ve bir nötron tesis ışın zaman ve enstrüman teklifi gönder Genel Kullanıcı nötron ışın zaman erişim, gibi Oak Ridge National Laboratory (ORNL) sağlamak Nötron saçılma özellikleri belirlemek için online kaynaklarına başvurun. Nötron imkanları ve nötron araştırma dünya çapında hakkında bilgi çevrimiçi kullanılabilir. 46 bu tesisler genellikle normal görüşmeleri için teklif var unutmayın; Bu ne zaman sonraki ışın sırasında kullanılabil…

Representative Results

Bir ışın zaman ve enstrüman öneri açıkça böylece önerilen deney geçerli bir değerlendirme yapılan değerlendirme Komitesi için gereken tüm bilgileri iletmek. Bir NSS ile iletişim çok deneyimsiz kullanıcılar için önerilir. NSS ilk fizibilite ve fizibilite, emniyet ve çok etkili bilim potansiyelini vurgulamak için kılavuz öneri gönderme değerlendirebilirsiniz. Teklife bilgiler arka plan bilgileri ve araştırma önemini bağlamının içermelidir; elde edilebilir …

Discussion

Yapısal biyoloji araştırmacılar biomolecules çözümünde biyokimyasal ve yapısal ayrıntılarını (örneğin, toplam boyut ve şekil) edinmek için çözüm saçılma gibi tamamlayıcı yapısal teknikleri yararlanmak. SANS belirlenmesi membran proteinlerinin düşük çözünürlüklü yapıları, modern yapısal biyoloji ve biyokimya bir çekirdek odak için özellikle çekici bir tekniktir. SANS saf protein crystallographic denemeler (1 mg/örnek) karşılaştırılabilir miktarda gerektirir. Yüksek saflıkta…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Office biyolojik ve çevresel araştırma desteklenen araştırma ORNL’ın merkezi yapısal Moleküler Biyoloji (CSMB) ve biyografi-bilimsel Kullanıcı imkanları bölüm, temel enerji Bilimler Office, ABD Bakanlığı tarafından desteklenen özellikleri kullanarak SANS Enerji. Membran proteinlerinin Lieberman laboratuarında yapısal çalışmalarına NIH (DK091357, GM095638) tarafından desteklenen ve NSF (0845445).

Materials

Amicon Ultra MWCO 50KDa concentrator  EMD Millipore UFC905096 labware
Ammonium citrate dibasic Fisher Scientific A663 medium component
Ammonium sulfate EMD Millipore 2150 medium component
Bioflo 310 Bioreactor System Eppendorf M1287-2110 equipment
Calcium chloride dihydrate Acros 423525000 medium component
Carbenicillin IBI Scientific IB02025 antibiotic
Chloramphenicol EMD Millipore 3130 antibiotic
Cobalt (II) chloride Acros AC21413-0050 medium component
Copper (II) sulfate Acros AC19771-1000  medium component
Deuterium oxide Sigma-Aldrich 756822 medium component
Drierite Gas Purifier W.A. Hammond Drierite Co. Ltd. 27068
EDTA, disodium, dihydrate EMD Millipore 4010 medium component
Emulsiflex-C3 Avestin EF-C3 equipment
Äkta Purifier UPC100 GE Healthcare  equipment
Glycerol Sigma-Aldrich G5516 medium component
HEPES Sigma-Aldrich H4034
HiPrep 16/60 Sephacryl S-300 HR column GE Healthcare  17116701
Imidazole VWR 97064-622
IPTG Teknova I3325
Iron(III) chloride hexahydrate MP Biochemicals ICN19404590 medium component
LB Agar Miller Fisher Scientific BP1425-2
Magnesium sulfate heptahydrate VWR 97062-134 medium component
Manganese(II) sulfate monohydrate Acros AC20590-5000 medium component
MaxQ 6000 Incubated/Refrigerated Shaker Thermo Scientific SHKE6000-7  equipment
n-Dodecyl-d25-β-D-maltopyranoside Anatrace D310T
n-Dodecyl-β-D-maltopyranoside Anatrace D310A
Potassium phosphate monobasic VWR 97062-346 medium component
RC 6 Plus Centrifuge Thermo Scientific Sorvall 46910 equipment
SIGMAFAST protease inhibitor cocktail tablets, EDTA-free Sigma-Aldrich S8830
Sodium chloride Sigma-Aldrich S3014
Sodium hydroxide Sigma-Aldrich 795429
Sodium phosphate dibasic Sigma-Aldrich S7907 medium component
Sterile 25mm syringe filter with 0.2µm PES membrane VWR 28145-501 labware
Sterile disposable bottle top filter with 0.2µm PES membrane Thermo Scientific 596-4520  labware
Superdex 200 10/300 GL  GE Healthcare  17517501
Superose-12 10/300 GL column  GE Healthcare  17517301
Ultrospec 10 Cell Density Meter GE Healthcare  80211630 equipment
Zinc sulfate monohydrate Acros AC38980-2500  medium component
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wallin, E., Heijne, G. V. Genome-wide analysis of integral membrane proteins from eubacterial, archaean, and eukaryotic organisms. Protein Science. 7 (4), 1029-1038 (1998).
  2. Tautermann, C. S. GPCR structures in drug design, emerging opportunities with new structures. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 24 (17), 4073-4079 (2014).
  3. Cournia, Z., et al. Membrane protein structure, function, and dynamics: A perspective from experiments and theory. The Journal of Membrane Biology. 248 (4), 611-640 (2015).
  4. Doerr, A. Membrane protein structures. Nature Methods. 6, 35 (2008).
  5. Bill, R. M., et al. Overcoming barriers to membrane protein structure determination. Nature Biotechnology. 29, 335 (2011).
  6. Carpenter, E. P., Beis, K., Cameron, A. D., Iwata, S. Overcoming the challenges of membrane protein crystallography. Current Opinion in Structural Biology. 18 (5), 581-586 (2008).
  7. Sanders, C. R., Sönnichsen, F. Solution NMR of membrane proteins: Practice and challenges. Magnetic Resonance in Chemistry. 44 (S1), S24-S40 (2006).
  8. Garavito, R. M., Ferguson-Miller, S. Detergents as tools in membrane biochemistry. Journal of Biological Chemistry. 276 (35), 32403-32406 (2001).
  9. Privé, G. G. Detergents for the stabilization and crystallization of membrane proteins. Methods. 41 (4), 388-397 (2007).
  10. Wessel, D., Flügge, U. I. A method for the quantitative recovery of protein in dilute solution in the presence of detergents and lipids. Analytical Biochemistry. 138 (1), 141-143 (1984).
  11. Bayburt, T. H., Grinkova, Y. V., Sligar, S. G. Self-assembly of discoidal phospholipid bilayer nanoparticles with membrane scaffold proteins. Nano Letters. 2 (8), 853-856 (2002).
  12. Bayburt, T. H., Sligar, S. G. Membrane protein assembly into Nanodiscs. FEBS Letters. 584 (9), 1721-1727 (2010).
  13. Skar-Gislinge, N., et al. Elliptical structure of phospholipid bilayer nanodiscs encapsulated by scaffold proteins: Casting the roles of the lipids and the protein. Journal of the American Chemical Society. 132 (39), 13713-13722 (2010).
  14. Sanders, C. R., Schwonek, J. P. Characterization of magnetically orientable bilayers in mixtures of dihexanoylphosphatidylcholine and dimyristoylphosphatidylcholine by solid-state NMR. Biochemistry. 31 (37), 8898-8905 (1992).
  15. Vestergaard, M., Kraft, J. F., Vosegaard, T., Thøgersen, L., Schiøtt, B. Bicelles and other membrane mimics: comparison of structure, properties, and dynamics from MD simulations. The Journal of Physical Chemistry B. 119 (52), 15831-15843 (2015).
  16. Popot, J. -. L., et al. Amphipols From A to Z. Annual Review of Biophysics. 40 (1), 379-408 (2011).
  17. Tribet, C., Audebert, R., Popot, J. -. L. Amphipols: Polymers that keep membrane proteins soluble in aqueous solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences. 93 (26), 15047 (1996).
  18. Fernández, C., Wüthrich, K. NMR solution structure determination of membrane proteins reconstituted in detergent micelles. FEBS Letters. 555 (1), 144-150 (2003).
  19. Hiruma-Shimizu, K., Shimizu, H., Thompson, G. S., Kalverda, A. P., Patching, S. G. Deuterated detergents for structural and functional studies of membrane proteins: Properties, chemical synthesis and applications. Molecular Membrane Biology. 32 (5-8), 139-155 (2015).
  20. Krueger-Koplin, R. D., et al. An evaluation of detergents for NMR structural studies of membrane proteins. Journal of Biomolecular NMR. 28 (1), 43-57 (2004).
  21. Linke, D., Burgess, R. R., Deutscher, M. P. . Methods in Enzymology. 463, 603-617 (2009).
  22. Oliver, R. C., et al. Tuning micelle dimensions and properties with binary surfactant mixtures. Langmuir. 30 (44), 13353-13361 (2014).
  23. Orwick-Rydmark, M., Arnold, T., Linke, D. The use of detergents to purify membrane proteins. Current Protocols in Protein Science. 84 (1), (2016).
  24. Tanford, C., Reynolds, J. A. Characterization of membrane proteins in detergent solutions. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Reviews on Biomembranes. 457 (2), 133-170 (1976).
  25. Tulumello, D. V., Deber, C. M. Efficiency of detergents at maintaining membrane protein structures in their biologically relevant forms. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 1818 (5), 1351-1358 (2012).
  26. Arachea, B. T., et al. Detergent selection for enhanced extraction of membrane proteins. Protein Expression and Purification. 86 (1), 12-20 (2012).
  27. Seddon, A. M., Curnow, P., Booth, P. J. Membrane proteins, lipids and detergents: Not just a soap opera. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 1666 (1), 105-117 (2004).
  28. Tanford, C. . The Hydrophobic Effect: Formation of Micelles and Biological Membranes. , (1980).
  29. Littrell, K., Urban, V., Tiede, D., Thiyagarajan, P. Solution structure of detergent micelles at conditions relevant to membrane protein crystallization. Journal of Applied Crystallography. 33 (3 Part 1), 577-581 (2000).
  30. Oliver, R. C., et al. Dependence of micelle size and shape on detergent alkyl chain length and head group. PLOS ONE. 8 (5), e62488 (2013).
  31. Maire, M., Champeil, P., Møller, J. V. Interaction of membrane proteins and lipids with solubilizing detergents. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 1508 (1), 86-111 (2000).
  32. Hong, X., Weng, Y. -. X., Li, M. Determination of the topological shape of integral membrane protein light-harvesting complex LH2 from photosynthetic bacteria in the detergent solution by small-angle X-ray scattering. Biophysical Journal. 86 (2), 1082-1088 (2004).
  33. Vinothkumar, K. R. Membrane protein structures without crystals, by single particle electron cryomicroscopy. Current Opinion in Structural Biology. 33, 103-114 (2015).
  34. Pérez, J., Koutsioubas, A. Memprot: A program to model the detergent corona around a membrane protein based on S-SAXS data. Acta Crystallographica Section D. 71 (1), 86-93 (2015).
  35. Oliver, R. C., Pingali, S. V., Urban, V. S. Designing mixed detergent micelles for uniform neutron contrast. The Journal of Physical Chemistry Letters. 8 (20), 5041-5046 (2017).
  36. Hiruma-Shimizu, K., Kalverda, A. P., Henderson, P. J. F., Homans, S. W., Patching, S. G. Synthesis of uniformly deuterated n-dodecyl-β-D-maltoside (d39-DDM) for solubilization of membrane proteins in TROSY NMR experiments. Journal of Labelled Compounds & Radiopharmaceuticals. 57 (14), 737-743 (2014).
  37. Midtgaard, S. R., et al. Invisible detergents for structure determination of membrane proteins by small-angle neutron scattering. The FEBS Journal. 285 (2), 357-371 (2018).
  38. Gabel, F., Chaudhuri, B., Muñoz, I. G., Qian, S., Urban, V. S. . Biological Small Angle Scattering: Techniques, Strategies and Tips. , 201-214 (2017).
  39. Schantz, A. B., et al. PEE-PEO Block copolymer exchange rate between mixed micelles is detergent and temperature activated. Macromolecules. 50 (6), 2484-2494 (2017).
  40. Liyana-Arachchi, T. P., et al. Bubble bursting as an aerosol generation mechanism during an oil spill in the deep-sea environment: Molecular dynamics simulations of oil alkanes and dispersants in atmospheric air/salt water interfaces. Environmental Science: Processes & Impacts. 16 (1), 53-64 (2014).
  41. Dos Santos Morais, R., et al. Contrast-matched isotropic bicelles: A versatile tool to specifically probe the solution structure of peripheral membrane proteins using SANS. Langmuir. 33 (26), 6572-6580 (2017).
  42. Maric, S., et al. Stealth carriers for low-resolution structure determination of membrane proteins in solution. Acta Crystallographica Section D. 70 (2), 317-328 (2014).
  43. Pedersen, J. S., Svaneborg, C., Almdal, K., Hamley, I. W., Young, R. N. A small-angle neutron and x-ray contrast variation scattering study of the structure of block copolymer micelles: Corona shape and excluded volume interactions. Macromolecules. 36 (2), 416-433 (2003).
  44. Urban, V. S., Kaufmann, E. N. . Characterization of Materials. , (2012).
  45. Chaudhuri, B., Muñoz, I. G., Qian, S., Urban, V. S., Cohen, I. R., et al. . Advances in Experimental Medicine and Biology. 1009, 1-268 (2017).
  46. . Submitting a Research Proposal Available from: https://neutrons.ornl.gov/users/proposals (2018)
  47. . Accompanying Bio-Deuteration Laboratory Proposal Available from: https://www.ornl.gov/sites/default/files/BDL_info_request.docx (2014)
  48. Whitten, A. E., Cai, S., Trewhella, J. MULCh: Modules for the analysis of small-angle neutron contrast variation data from biomolecular assemblies. Journal of Applied Crystallography. 41 (1), 222-226 (2008).
  49. . Scattering Length Density Calculator by National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research Available from: https://www.ncnr.nist.gov/resources/activation/ (2018)
  50. Ibel, K., Stuhrmann, H. B. Comparison of neutron and X-ray scattering of dilute myoglobin solutions. Journal of Molecular Biology. 93 (2), 255-265 (1975).
  51. Holme, T., Arvidson, S., Lindholm, B., Pavlu, B. Enzymes: Laboratory-scale production. Process Biochemistry. 5 (9), 62-66 (1970).
  52. Larsson, G., Enfors, S. -. O. Protein release and foaming in Escherichia coli cultures grown in minimal medium. Bioprocess Engineering. 15 (5), 231-237 (1996).
  53. Artero, J. -. B., Hartlein, M., McSweeney, S., Timmins, P. A comparison of refined X-ray structures of hydrogenated and perdeuterated rat [gamma]E-crystallin in H2O and D2O. Acta Crystallographica Section D. 61 (11), 1541-1549 (2005).
  54. Paliy, O., Bloor, D., Brockwell, D., Gilbert, P., Barber, J. Improved methods of cultivation and production of deuteriated proteins from E. coli strains grown on fully deuteriated minimal medium. Journal of applied microbiology. 94 (4), 580-586 (2003).
  55. Sivashanmugam, A., et al. Practical protocols for production of very high yields of recombinant proteins using Escherichia coli. Protein Science. 18 (5), 936-948 (2009).
  56. Hoopes, J. T., Elberson, M. A., Preston, R. J., Reddy, P. T., Kelman, Z., Kelman, Z. . Methods in Enzymology. 565, 27-44 (2015).
  57. Leiting, B., Marsilio, F., O’Connell, J. F. Predictable deuteration of recombinant proteins expressed in Escherichia coli. Analytical Biochemistry. 265 (2), 351-355 (1998).
  58. Perkins, S. J. Estimation of deuteration levels in whole cells and cellular proteins by 1H n.m.r. spectroscopy and neutron scattering. Biochemical Journal. 199 (1), 163-170 (1981).
  59. Obom, K. M., Magno, A., Cummings, P. J. Operation of a benchtop bioreactor. Journal of Visualized Experiments. (79), e50582 (2013).
  60. Duff, A. P., Wilde, K. L., Rekas, A., Lake, V., Holden, P. J., Kelman, Z. . Methods in Enzymology. 565, 3-25 (2015).
  61. Haertlein, M., Kelman, Z., et al. . Methods in Enzymology. 566, 113-157 (2016).
  62. Meilleur, F., Weiss, K. L., Myles, D. A. A. T Micro and Nano Technologies in Bioanalysis. Methods in Molecular Biology. 544, 281-292 (2009).
  63. Naing, S. -. H., Oliver, R. C., Weiss, K. L., Urban, V. S., Lieberman, R. L. Solution structure of an intramembrane aspartyl protease via small angle neutron scattering. Biophysical Journal. 114 (3), 602-608 (2018).
  64. . Training Requirements for First Time and Repeat Users Available from: https://neutrons.ornl.gov/users (2018)
  65. . Remote Analysis Cluster Available from: https://analysis.sns.gov (2018)
  66. Franke, D., et al. ATSAS 2.8: A comprehensive data analysis suite for small-angle scattering from macromolecular solutions. Journal of Applied Crystallography. 50 (4), 1212-1225 (2017).
  67. . Software Suite Available from: https://www.embl-hamburg.de/biosaxs/download.html (2018)
  68. . Software Individual Programs Available from: https://www.embl-hamburg.de/biosaxs/software.html (2018)
  69. Konarev, P. V., Volkov, V. V., Sokolova, A. V., Koch, M. H. J., Svergun, D. I. PRIMUS: A Windows PC-based system for small-angle scattering data analysis. Journal of Applied Crystallography. 36 (5), 1277-1282 (2003).
  70. Jacques, D. A., Trewhella, J. Small-angle scattering for structural biology-Expanding the frontier while avoiding the pitfalls. Protein Science. 19 (4), 642-657 (2010).
  71. Svergun, D. Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria. Journal of Applied Crystallography. 25 (4), 495-503 (1992).
  72. Putnam, C. D., Hammel, M., Hura, G. L., Tainer, J. A. X-ray solution scattering (SAXS) combined with crystallography and computation: defining accurate macromolecular structures, conformations and assemblies in solution. Quarterly Reviews of Biophysics. 40 (3), 191-285 (2007).
  73. Svergun, D. I., et al. Protein hydration in solution: Experimental observation by x-ray and neutron scattering. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 95 (5), 2267-2272 (1998).
  74. Franke, D., Svergun, D. I. DAMMIF, a program for rapid ab-initio shape determination in small-angle scattering. Journal of Applied Crystallography. 42 (2), 342-346 (2009).
  75. Svergun, D. I. Restoring Low Resolution Structure of Biological Macromolecules from Solution Scattering Using Simulated Annealing. Biophysical Journal. 76 (6), 2879-2886 (1999).
  76. Jacques, D. A., Guss, J. M., Svergun, D. I., Trewhella, J. Publication guidelines for structural modelling of small-angle scattering data from biomolecules in solution. Acta Crystallographica Section D. 68 (6), 620-626 (2012).
  77. Heller, W. T., et al. The Bio-SANS instrument at the High Flux Isotope Reactor of Oak Ridge National Laboratory. Journal of Applied Crystallography. 47 (4), 1238-1246 (2014).
  78. Svergun, D. I., Koch, M. H. J. Small-angle scattering studies of biological macromolecules in solution. Reports on Progress in Physics. 66 (10), 1735 (2003).
  79. Johnson, J. L., Kalyoncu, S., Lieberman, R. L., Mus-Veteau, I. . Heterologous Expression of Membrane Proteins: Methods and Protocols. , 281-301 (2016).

Tags

Membrane ProteinSmall-angle Neutron ScatteringContrast MatchingDeuterium LabelingAb Initio ModelingOligomeric StateSizeShapeLow Resolution StructureDetergentScattering Length DensityContrast Match PointE. ColiDeuterated ProteinMinimal MediumBioreactor

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Oliver, R. C., Naing, S., Weiss, K. L., Pingali, S. V., Lieberman, R. L., Urban, V. S. Contrast-Matching Detergent in Small-Angle Neutron Scattering Experiments for Membrane Protein Structural Analysis and Ab Initio Modeling. J. Vis. Exp. (140), e57901, doi:10.3791/57901 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image