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

Nötron Spin Yankı Spektroskopisi ile Protein Dinamiğinin İncelenmesi

Published: April 13, 2022
doi:
10.3791/61862
1NSD, Oak Ridge National Laboratory

Summary

Bu protokol, insan sağlığında önemli bir role sahip olan iki model proteinin yapısını ve dinamiklerini araştırmak için kullanılan yöntemleri açıklamaktadır. Bu teknik, protein etki alanları arası hareketlerle ilgili zaman ve uzunluk ölçeklerindeki dinamiklere erişmek için tezgah üstü biyofiziksel karakterizasyonu nötron spin eko spektroskopisi ile birleştirir.

Abstract

Çoğu insan vücudu proteininin aktivitesi ve işlevselliği, protein kristal yapısı içindeki tüm alt alanların konfigürasyonel değişiklikleri ile ilgilidir. Kristal yapılar, çoğu zaman güçlü geometrik kısıtlamalarla bir proteinin yapısını veya dinamiklerini tanımlayan herhangi bir hesaplamanın temelini oluşturur. Bununla birlikte, kristal yapıdan gelen bu kısıtlamalar çözeltide mevcut değildir. Çözeltideki proteinlerin yapısı, piko-nanosaniye zaman ölçeğindeki döngülerin veya alt alanların yeniden düzenlenmesi nedeniyle kristalden farklı olabilir (yani, iç protein dinamiği zaman rejimi). Bu çalışma, onlarca nanosaniyelik zaman ölçeklerindeki yavaş hareketlere nötron saçılması kullanılarak nasıl erişilebileceğini açıklamaktadır. Özellikle, iki ana insan proteininin, iyi tanımlanmış bir ikincil yapıya ve klasik bir antikor proteinine sahip olmayan, özünde düzensiz bir proteinin dinamik karakterizasyonu, çok çeşitli laboratuvar karakterizasyon yöntemleriyle birlikte nötron spin eko spektroskopisi (NSE) ile ele alınmaktadır. Deneysel nötron verilerini tanımlamak ve kombine difüzyon ve iç protein hareketleri arasındaki geçişi belirlemek için matematiksel modelleme kullanılarak protein etki alanı dinamikleri hakkında daha fazla bilgi elde edildi. Çeşitli hareketlerin zaman çizelgesi de dahil olmak üzere NSE’den elde edilen ara saçılma fonksiyonuna iç dinamik katkının ekstraksiyonu, tek proteinlerin mekanik özelliklerine ve kalabalık protein çözeltisindeki neredeyse doğal ortamlarında proteinlerin yumuşaklığına daha fazla görüş sağlar.

Introduction

Yumuşak maddenin nötronlarla sondalama dinamikleri
Proteinlerin ve peptitlerin dinamik özelliklerini araştırmak, biyofiziksel araştırmanın önemli bir parçasıdır ve günümüzde çok çeşitli enerji manzaralarına erişmek için birçok iyi geliştirilmiş yöntembulunmaktadır 1. Proteinlerin deneysel olarak ortaya çıkan dinamiklerini biyolojik işlevleriyle ilişkilendirmek, karmaşık matematiksel modeller ve bilgisayar destekli dinamik simülasyonları gerektiren çok daha zor bir iştir. Protein hareketlerinin analizi için nötron spektroskopisinin önemi, iyi karşılanan ve yaygın olarak tanınan birkaç çalışmada vurgulanmıştır 1,2,3,4,5. İç protein dinamiklerinin çeşitli enerji manzarasını keşfetmeden önce, yumuşak maddedeki dinamik süreçlere ve nötronların bunlara nasıl erişebileceğine dair kısa bir genel bakış gereklidir.

Nötronların izotopik konfigürasyona duyarlılığı ve yumuşak madde ile gösterdikleri etkileşimlerin türü, nötron saçılımını en çok yönlü araştırma tekniklerinden biri haline getirir6. Nötronların erişebileceği geniş bir korelasyon uzunluğu ölçekleri ve korelasyon süreleri spektrumu vardır, nükleer uyarımlardan ve atomik titreşimlerden kolektif hareketlere ve izotropik rotasyonlar ve difüzif hareketler gibi yavaş gevşeme süreçlerine kadar. Dağınık nötronları enerji transferleri için araştırırken, üç ana etkileşim ayırt edilebilir: numunede gelen nötron ve parçacık arasında enerji alışverişinin olmadığı elastik saçılma; nötron ve parçacık arasında büyük, ölçülebilir bir enerji değişimi ile elastik olmayan saçılma; ve olay nötron enerjisine kıyasla çok küçük bir enerji transferini gösteren tuhaf yarı-elastik saçılma durumu 1,7. Bu etkileşimler, araştırılan malzeme hakkında kesin bilgi verir ve çok çeşitli nötron saçılma tekniklerinin teorik temelini oluşturur.

Elastik saçılmada, dedektör nötronların yönlerini, örnek atomların birbirlerine göre konumunu gösteren bir kırınım paterni olarak kaydeder. Atomik konumların korelasyonları hakkında bilgi edinilir (yani, yalnızca yapısal bilgiyle ilgili olan momentum transferi Q ile ilgili entegre yoğunluk S ( Q). Bu ilke nötron kırınımının temelini oluşturur8.

Karmaşıklık, numune malzemesindeki uyarılmalar ve iç dalgalanmalar nedeniyle enerji transferi artık sıfır olmadığında ortaya çıkar. Bu, dağınık nötronların hem enerji transferi E hem de momentum transferi Q’nun bir fonksiyonu olarak araştırıldığı nötron spektroskopisinin temelini oluşturur. Dinamik ve yapısal bilgiler elde edilir. Nötron spektroskopisi, enerji transferi için aynı entegre yoğunluk S(Q)’yu ölçer (yani, numune saçılması nedeniyle nötronların hız değişimi, S(Q,ω) = S(Q, E), dinamik yapı faktörü olarak da adlandırılır)9.

Bir malzemeden saçılımı hesaplamak için, 7,10 çift korelasyon fonksiyonunu kullanmak daha yeterlidir. Kırınım durumunda, statik çift korelasyon fonksiyonu G(r), bir parçacığın merkezini başka bir parçacığın merkezinden belirli bir mesafe r’de bulma olasılığını verir. Spektroskopi, statik çift korelasyon fonksiyonunu genelleştirir ve saçılma denklemine enerji / frekans / zaman içerir. Çift korelasyon fonksiyonu G(r), ayrı bir atom çifti korelasyon fonksiyonu G D(r, t) ve bir öz-korelasyon fonksiyonu G S(r, t) olarak ayrıştırılabilen G(r, t) zamanının bir fonksiyonu haline gelir. Bunlar iki tür korelasyonu tanımlar: tutarlı saçılımı yöneten atomların çift korelasyonlu hareketleri ve tutarsız saçılımı yöneten kendi kendine korelasyon10.

Tutarlı saçılma, “ortalama” dan saçılmadır ve dağınık dalgaların göreceli fazına bağlıdır. Küçük açılı saçılma rejiminde, farklı saçılma merkezlerinden (farklı atomlar) gelen saçılan nötron dalgaları yapıcı bir şekilde müdahale eder (benzer fazlara sahiptir) ve atomların kolektif hareketi güçlü yoğunluk artışı ile gözlenir. Tutarlı saçılma esas olarak örnek10’daki tüm çekirdeklerden tek bir nötronun saçılmasını tanımlar.

Farklı merkezlerden gelen dağınık nötron dalgaları arasında yapıcı bir girişim meydana gelmediğinde, zaman içinde tek bir atom takip edilir ve atomun t = 0 zamanındaki konumu ile t zamanındaki aynı atom arasındaki öz korelasyon gözlenir. Böylece, atomların göreceli konumları hakkındaki bilgiler kaybolur ve odak noktası sadece yerel dalgalanmalardır. Yerel dalgalanmalardan kaynaklanan saçılma, tutarsız saçılımı yönetir. Tutarsız saçılma izotropiktir, arka plan sinyaline katkıda bulunur ve sinyalden gürültüye 10,11’i bozar.

Yukarıdakilerin hepsini birleştirerek, dört ana nötron saçılma işlemini ayırt ediyoruz10: (1) elastik tutarlı (atomik konumların korelasyonlarını ölçer), (2) elastik olmayan tutarlı (atomların kolektif hareketlerini ölçer), (3) elastik tutarsız (arka plana katkıda bulunur, Debye-Waller faktörü (DWF) ile saçılma yoğunluğunu azaltır ve sınırlı geometrideki difüzyon hareketlerinin geometrisini tanımlayan elastik tutarsız yapı faktörünü (EISF) ölçer, ve (4) elastik tutarsız (tek atom dinamiklerini ve kendi kendine korelasyonu ölçer).

Nötronların biyolojide erişebileceği dinamik süreçler, düşük frekanslı atomik ve moleküler titreşimlerin sönümlenmesinden, çözücü moleküllerinin biyo-yüzeylerle etkileşiminden ve makromoleküllerin hidrasyon tabakasındaki difüzyon işlemlerinden ve sınırlı geometriden, kısa menzilli translasyonel, rotasyonel ve yuvarlanan difüzyon hareketlerine ve protein alanlarına ve allosterik hareketlere kadaruzanır1 . Protein dinamiklerini ölçmek için nötron yöntemlerinin ve araçlarının geniş çeşitliliği, olayın veya giden nötron ışınının akromatizasyonunun nasıl elde edildiğine ve dağınık nötronların enerji analizinin nasıl yapıldığına dayanmaktadır. Üç eksenden uçuş zamanına, geri saçılmaya ve spin-echo spektrometrelerine kadar, 1 x 10-14 s ile 1 x 10-6 s (femtosaniyelerden mikrosaniyelere)12 arasındaki karakteristik sürelere sahip dinamik süreçler keşfedilebilir.

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, iki ünlü nötron kaynağı olan Spallation Neutron Source – SNS13 ve High Isotop Flux Reactor – HFIR14 ile, biyo-malzemelerdeki dinamikleri araştırmak için en iyi spektrometre paketlerinden birine sahiptir. En anlamlı örneklerden bazıları, SNS15’teki soğuk nötron kıyıcı spektrometresinin (CNCS), çözelti16’daki yeşil floresan proteini etrafındaki hidrasyon suyunun dinamik pertürbasyonunu veya birkaç proteinin pikosaniye altı kolektif titreşimlerini araştırmak için kullanılmasıdır17. Elastik olmayan nötron saçılma araştırmalarının tekrarlayan bir problemi, bazı biyolojik süreçlerin gözlemlenemeyecek kadar yavaş olmasıdır. Büyük bir nötron yoğunluğu kaybına yol açan aşırı kurulumlar olmadan, uçuş süresi spektrometreleri, ~ 200 ps 10,11’lik maksimum zaman ölçeğine karşılık gelen10 μeV enerji çözünürlüğü ile sınırlıdır. Bu, proteinlerdeki büyük ölçekli hareketleri gözlemlemek için yeterli değildir. Bu nedenle, geri saçılma spektrometreleri gibi daha yüksek enerji çözünürlüğüne sahip cihazlara sıklıkla ihtiyaç duyulur. Uçuş süresi ve geri saçılma tekniklerini birleştirmek, hidroksilasyon kafuru18’i katalize eden bir enzim olan Sitokrom P450cam’ın (CYP101) iç dinamiklerindeki değişimi araştırmak için güçlü olduğunu kanıtlamıştır.

SNS-BASIS19’daki geri saçılma spektrometresi tarafından ölçülen mikroskobik difüzyon şaşırtıcı derecede iyi tanımlanmıştır ve suyun difüzyonuna (hidrasyon, sitoplazmik ve toplu benzeri su) ve nötron saçılması ile incelenen ilk canlı hayvan olan planarian yassı solucanlardaki hücre bileşenlerinin difüzyonuna ayrılabilir20 . Geri saçılma yüksek çözünürlüklü spektroskopik bir tekniktir, ancak aynı zamanda birkaç μeV = birkaç nanosaniye ile sınırlıdır, biyomalzemelerdeki yavaş dinamikler aynı zamanda atomik konum veya spin oryantasyonları arasındaki korelasyonun hayatta kalma süresi olarak da kendini gösterir (örneğin, on ila yüzlerce nanosaniye zaman aralığında düzenli olarak gerçekleşen gevşeme süreçleri).

Nötron spin eko spektroskopisi (NSE), bu kadar yüksek çözünürlüğe ulaşan tek nötron saçılma tekniğidir. Diğer nötron tekniklerinin aksine, NSE, nötronların manyetik momentleri olan kuantum mekanik fazını kullandığı için ışının akromatizasyonunu gerektirmez. Manyetik momentlerin manipülasyonu, geniş bir nötron ışını dalga boyu dağılımının kullanılmasına izin verirken, teknik 1 x 10-4 sırasına göre çok küçük nötron hızı değişikliklerine duyarlıdır. NSE, birçok protein için çözeltideki proteinlerin yavaş dinamiklerini araştırmak için başarıyla kullanılmıştır. Bu birçok öncü çalışma arasında, domuz immünoglobulin21’in segmental esnekliğinin incelenmesini kabul ediyoruz; Taq polimeraz22’deki birleştirilmiş alan hareketleri; maya alkol dehidrogenaz23’ün tetramerindeki etki alanı hareketleri; substrat bağlanması üzerine fosfogliserat kinazdaki konformasyonun değişmesi3; alan hareketlerinin aktivasyonu ve Na+/H+ değişim düzenleyici kofaktör 1 (NHERF1) proteini4,24,25’teki allosterik sinyallerin dinamik yayılımı; merkürik iyon redüktaz26’nın kompakt bir durumunun dinamiği; ve hemoglobinin kırmızı kan hücrelerinde difüzyonu27. Protein dinamiği üzerine yapılan iki yeni çalışma, insan antikoru İmmünoglobulin G’nin (IgG) entropik bir yay28 olarak esnekliğini ve çözücünün içsel olarak bozulmuş miyelin bazik proteininin (MBP) dinamiklerine katkısının özelliklerini ortaya koymuştur5.

Bu makalede, NSE’nin temel ilkeleri, kapsamlı bir protein dinamiği araştırması için önerilen çoklu hazırlık yöntemleri ve ayrıca SNS, SNS-NSE’deki NSE spektrometresinde NSE veri toplama metodolojisi ve deneysel protokolü açıklanmaktadır. Protokol iki proteini karakterize eder: IgG, normal bir insan antikor proteini ve özünde düzensiz protein MBP. Biyofiziksel etkileri, örneklerin araştırma ile ilgisi ve tekniğin sınırlamaları kısaca tartışılmıştır.

NSE spektroskopisi, yavaş dinamik ölçümleri için yöntem
NSE, bir numunedeki nötronlar ve atomlar arasındaki yarı-elastik etkileşim nedeniyle enerji değişimini (polarizasyon kaybı) ölçmek için nötron uçuş süresini kullanan polarize bir tekniktir. NSE spektroskopisinin özünde iki temel ilke yatmaktadır: (1) nötron spininin manyetik alanda manyetik kuvvetle Equation 1orantılı bir frekansla presese kabiliyeti, yani Larmor frekansı29 ve (b) bir dizi radyofrekans darbesi uygulanırken polarizasyon sinyalinin manipülasyonunu ve yeniden odaklanmasını temsil eden spin-echo veya Hann echo30.

NSE sürecinin temelleri, Şekil 1 kullanılarak birkaç basit adımda 6,11 olarak özetlenebilir. (1) Kaynak tarafından üretilen nötron ışını (konum 1) polarize edilir (konum 2), yönlendirilir ve taşınır (konum 3) ve NSE spektrometresinin girişine ulaşır, burada ilk pi-yarı palet (konum 4) tarafından 90 ° döndürülür. (2) Polarize ışın (örneğin, nötron manyetik momentleri) ilk mıknatısın manyetik alan çizgilerine (ilk presesyon bölgesi, pozisyon 5) dik hale gelir ve presese başlar. (3) Mıknatısın sonunda, nötron dönüşleri, manyetik alan kuvveti ve içeride harcanan uçuş süresi ile orantılı olarak belirli bir presesyon açısı biriktirir (temel olarak nötron hızıyla ters orantılıdır). Bireysel nötron hızları, ilk presesyon bölgesinin sonundaki presesyon açıları içinde kodlanır. (4) Numune konumuna yakın olan pi-palet (konum 6), presesyon açısının işaretini değiştirerek spinin yönünü 180 ° tersine çevirir. (5) Nötronlar numunenin molekülleriyle etkileşime girer (konum 7) ve dağılır. (6) Dağınık nötronlar ikinci presesyon bölgesine (pozisyon 8) girer ve presese girer, ancak ters yönelimli hale gelir. (7) Spin yönünü dikten yatay yöne döndürmek için başka bir pi-yarım palet (konum 9) kullanılır. Bu, presesyon açısını φ cos(φ) ile orantılı polarizasyona çevirerek presesyonu durduracaktır. (8) Analizör (konum 10) nötronları bir yöne göre seçer. Numune ile etkileşim elastik ise, nötronun hızı değişmeyecektir. Nötronlar, birinci ve ikinci presesyon bölgelerinde uçmak için aynı miktarda zaman harcayacak ve biriken presesyon açıları tamamen geri kazanılacaktır. Tam polarizasyon, dedektörde (pozisyon 11) orijinal polarizasyonun (yani spin-echo) bir yankısı olarak geri yüklenir. (9) Bununla birlikte, NSE’de saçılma yarı-elastiktir, bu nedenle nötronlar ve numune molekülleri arasındaki küçük bir enerji değişimi, numune tarafından saçıldıktan sonra farklı nötron hızlarına yol açar. Farklı hızlar nedeniyle, nötronlar ikinci presesyon bölgesinden uçmak için ek bir zaman harcayacak ve presesyon açılarını düzgün bir şekilde geri kazanamayacaktır. Dedektör üzerinde kısmi bir polarizasyon alınır ve spin gevşemesine bağlı polarizasyon kaybı, spektral fonksiyon S(Q, ω), ara saçılma fonksiyonu F(Q, t)’nin cos-Fourier dönüşümü ile orantılıdır. (10) F(Q, t) fonksiyonunun zaman parametresi, presesyon manyetik alan kuvveti ile orantılıdır. Polarizasyon kaybının manyetik alan kuvvetinin bir fonksiyonu olarak taranması, bu nedenle, numune içindeki dinamik süreçlere bağlı bir gevşeme fonksiyonu verir.

Figure 1
Resim 1: SNS’DE (SNS-NSE) NSE SPEKTROMETRESININ VE EN ÖNEMLI FONKSIYONEL BILEŞENLERLE NÖTRON SINEK YOLU ŞEMASıNıN FOTOĞRAFı. Sağdan sola: 1 = nötron kaynağı; 2 = doğrayıcılar-bükücü-polarizör-ikincil deklanşör sistemi; 3 = kiriş taşıma kılavuzları; İlk 90° spin-turn için 4 = pi/2 palet; 5 = ilk presesyon bölgesi; 6 = 180 ° spin-turn için pi flipper; 7 = numune alanı ve numune ortamı (burada, kriyo-fırın gösterilmiştir); 8 = ikinci presesyon bölgesi; İkinci 90° spin-turn için 9 = pi/2 palet; 10 = analizör; 11 = dedektör. (3’ün yanı sıra 2 ve 1’in bölümlerinin ekranlamanın içindeki mavi duvarın arkasında yer aldığını unutmayın; Kıyıcılar, reaktör tabanlı NSE için bir hız seçici ile değiştirilir). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protocol

Bu çalışma iki proteini karakterize ediyor: düzenli bir insan antikor proteini IgG ve özünde düzensiz MBP. Proteinlerin liyofilize formu ticari kaynaklardan elde edilmiştir (bakınız Malzeme Tablosu). 1. Protein numunesi hazırlama İlgili katı reaktifleri ağır suda (D2O) tartarak ve çözerek 50 mM sodyum fosfat + 0,1 M NaCl tamponu hazırlayın (bkz. Bu, IgG için deuterated tampon çözücüsüdür. …

Representative Results

İnsan serumu ve sığır MBP proteinlerinden elde edilen IgG proteini,D2O-baz tamponlarında yüksek konsantrasyonlarda (~ 50 mg / mL) yeniden oluşturuldu. Proteinler yüksek konsantrasyonlarda çözündüğü için, elde edilen çözeltiler kalabalık protein çözeltileriydi. NSE kullanılarak araştırılan dinamikler, proteinlerin içinde bulunduğu kalabalık ortamdan muzdariptir (yapı faktörü etkileşimleri ve hidrodinamik etkiler)5,28,39.<s…

Discussion

NSE spektroskopisi, diğer spektroskopik tekniklerin üretemediği proteinlerin dinamiklerinin benzersiz ve ayrıntılı bir görünümünü sunar. Uzun bir zaman ölçeğindeki ölçümler, burada sunulduğu gibi, hem proteinlerin translasyonel hem de rotasyonel difüzyonunun gözlemlerini sağlar. Segmental dinamikler ve diğer iç salınımlar kendilerini kısa bir zaman ölçeğinde tutarlı saçılma fonksiyonu S(Q, t)’nin güçlü bir bozunumu olarak ortaya çıkarır ve genel difüzyonel gevşeme süreçl…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu araştırma, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı tarafından işletilen Bilim Kullanıcı Tesisi’nin bir DOE Ofisi olan Spallation Neutron Source’taki (BL-15, BL-6, Biyoloji ve Kimya laboratuvarları) kaynakları kullandı. Bu araştırma aynı zamanda MLZ-FRM2 reaktörü Garching (KWS-2, Phoenix-J-NSE) ve Forschungszentrum Jülich GmbH, Almanya’daki JCNS1’deki kaynakları da kullandı. Yazar, modelleme konusundaki yardımları ve hem IgG hem de MBP protein araştırmalarına katkıları için Dr. Ralf Biehl ve Dr. Andreas Stadler’a, NSE veri azaltma desteği için Dr. Piotr A. Żołnierczuk’a, SANS ölçümlerine destek için Dr. Changwoo Do’ya ve SNS biyokimya laboratuvarı desteği için Rhonda Moody ve Dr. Kevin Weiss’a teşekkür ediyor.

Materials

Bovine MBP protein solution Sigma-Aldrich M1891 lyophilized powder reconstituted in  D2O
D2O – heavy water Sigma-Aldrich Product No. 151882 liquid
Dionized water in house – for washing / cleanning cells
DLS instrument Zetasizer Nano ZS, FZ-Jülich – dynamic light scattering instrument
Elastic scattering standards SNS-NSE, ORNL – Al2O3  and Graphite powders
Ethanol Sigma-Aldrich 65350-M 70% ethanol for cleaning cells
IgG protein solution Sigma-Aldrich I4506 lyophilized powder reconstituted in  D2O
KWS-2 instrument JCNS outstation at the MLZ,  Garching, Germany – small angle neutron instrument
Liquinox dish detergent Alconox – Phosphate-free liquid lab glassware cleaner
Na2HPO4·7H2O Sigma-Aldrich Product No.S9390 disodium phosphate heptahydrate salt
NaCl Sigma-Aldrich Product No.S9888 sodium chloride salt
NaH2PO4·H2O Sigma-Aldrich Product No. S9638 monosodium phosphate monohydrate salt
Nanodrop spectrophotometer Thermo Scientific Catalog number: ND-2000 NanoDrop 2000/2000c Spectrophotometer
Neutron alignment camera NeutronOptics, Grenoble NOG210222 100 x 100 mm camera with Sony IMX249 CMOS sensor
Parafilm M – wax parafilm Bemis Parafilm M – 5259-04LC PM996 all-purpose laboratory film in cardboard dispenser
Phoenix-J-NSE Spectrometer JCNS outstation at the MLZ,  Garching, Germany – neutron spectrometer
SasView https://www.sasview.org/
SAXSpace, Anton Paar instrument FZ-Jülich – small angle x-ray instrument
Slide-A-Lyzer dialysis membranes Thermo Scientific 88400-88405 Slide-A-Lyzer mini dialysis devices tubes of 3.5 K MWCO
SNS Remote Analysis Cluster Neutron Science Remote Analysis (sns.gov) https://analysis.sns.gov
SNS-NSE spectrometer ORNL, Oak Ridge, TN, USA – neutron spectrometer
Sterile syringe filters VWR N.A. PN:28145-501 0.2 µm pore size filters
Temperature Forcing System (TFS) SP Scientific Part Number 100004055 sample environment equipment
Urea -d4 Sigma-Aldrich Product No. 176087 deuterated Urea salt
Viscometer FZ-Jülich – falling ball viscometer
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fitter, J., Gutberlet, T., Katsaras, J. . Neutron Scattering in Biology: Techniques and Applications. , (2006).
  2. Stadler, A., Monkenbusch, M., Biehl, R., Richter, D., Ollivier, J. Neutron spin-echo and TOF reveals protein dynamics in solution. Journal of the Physical Society of Japan. 82, (2013).
  3. Inoue, R. Large domain fluctuations on 50-ns timescale enable catalytic activity in phosphoglycerate kinase. Biophysical Journal. 99 (7), 2309-2317 (2010).
  4. Callaway, D. J. E., et al. Controllable activation of nanoscale dynamics in a disordered protein alters binding kinetics. Journal of Molecular Biology. 429 (7), 987-998 (2017).
  5. Stingaciu, L. R., Biehl, R., Changwoo, D., Richter, D., Stadler, A. M. Reduced internal friction by osmolyte interaction in intrinsically disordered myelin basic protein. Journal of Physical Chemistry Letters. 11 (1), 292-296 (2020).
  6. Monkenbusch, M., Richter, D. High resolution neutron spectroscopy-a tool for the investigation of dynamics of polymers and soft matter. Comptes Rendus Physique. , (2007).
  7. Richter, D., Monkenbusch, M., Schwahn, D. Neutron Scattering. Polymer Science: A Comprehensive Reference, 10 Volume Set. , (2012).
  8. Wilson, C. C. . Single Crystal Neutron Diffraction From Molecular Materials. , (2000).
  9. Marshall, W. . Theory of thermal neutron scattering. , (1971).
  10. . Roger Pynn Introduction & Neutron Scattering "Theory&#34 Available from: https://neutrons.ornl.gov/sites/default/files/intro_to_neutron_scattering.pdf (2004)
  11. Richter, D. Neutron scattering in polymer physics. Physica B: Condensed Matter. 276-278, 22-29 (2000).
  12. Harroun, T. A., Wignall, G. D., Katsaras, J. Neutron scattering for biology. Neutron Scattering in Biology. , (2006).
  13. . SNS Available from: https://neutrons.ornl.gov/sna (2020)
  14. . HFIR Available from: https://neutrons.ornl.gov/hfir (2020)
  15. . CNCS Available from: https://neutrons.ornl.gov/cncs (2020)
  16. Perticaroli, S., et al. Description of hydration water in protein (green fluorescent protein) solution. Journal of the American Chemical Society. 139 (3), 1098-1105 (2017).
  17. Perticaroli, S., Nickels, J. D., Ehlers, G., Sokolov, A. P. Rigidity, secondary structure, and the universality of the boson peak in proteins. Biophysical Journal. 106 (12), 2667-2674 (2014).
  18. Miao, Y., et al. Coupled flexibility change in cytochrome p450cam substrate binding determined by neutron scattering, NMR, and molecular dynamics simulation. Biophysical Journal. 103 (10), 2167-2176 (2012).
  19. Mamontov, E., Zamponi, M., Hammons, S., Keener, W. S., Hagen, M., Herwig, K. W. BASIS: A new backscattering spectrometer at the SNS. Neutron News. 19 (3), 22-24 (2008).
  20. Mamontov, E. Microscopic diffusion processes measured in living planarians. Scientific Reports. 9, 8708 (2018).
  21. Alpert, Y., Cser, L., Faragó, B., Franěk, F., Mezei, F., Ostanevich, Y. M. Segmental flexibility in pig immunoglobulin G studied by neutron spin-echo technique. Biopolymers. 24 (9), 1769-1784 (1985).
  22. Bu, Z., Biehl, R., Monkenbusch, M., Richter, D., Callaway, D. J. E. Coupled protein domain motion in Taq polymerase revealed by neutron spin-echo spectroscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (49), 17646-17651 (2005).
  23. Biehl, R., et al. Direct observation of correlated interdomain motion in alcohol dehydrogenase. Physical Review Letters. 101, 138102 (2008).
  24. Farago, B., Li, J., Cornilescu, G., Callaway, D. J. E., Bu, Z. Activation of nanoscale allosteric protein domain motion revealed by neutron spin echo spectroscopy. Biophysical Journal. 99 (10), 3473-3482 (2010).
  25. Bu, Z., Callaway, D. J. E. Dynamic propagation of long-range allosteric signals by nanoscale protein domain motion revealed by neutron spin echo spectroscopy. Biophysical Journal. 100 (3), 223 (2011).
  26. Hong, L., et al. Structure and dynamics of a compact state of a multidomain protein, the mercuric ion reductase. Biophysical Journal. 107 (2), 393-400 (2014).
  27. Longeville, S., Stingaciu, L. -. R. Hemoglobin diffusion and the dynamics of oxygen capture by red blood cells. Scientific Reports. 7, 10448 (2017).
  28. Stingaciu, L. R., Ivanova, O., Ohl, M., Biehl, R., Richter, D. Fast antibody fragment motion: Flexible linkers act as entropic spring. Scientific Reports. 6, 22148 (2016).
  29. Hahn, E. L. Nuclear induction due to free larmor precession. Physical Review. 77, 297 (1950).
  30. Hahn, E. L. Spin echoes. Physical Review. 80, 580 (1950).
  31. Svergun, D. I., Koch, M. H. J. Small-angle scattering studies of biological macromolecules in solution. Reports on Progress in Physics. 66 (10), 1735-1782 (2003).
  32. . Sasview Available from: https://www.sasview.org (2020)
  33. Zhao, J. K., Gao, C. Y., Liu, D. The extended Q-range small-angle neutron scattering diffractometer at the SNS. Journal of Applied Crystallography. 43, 1068-1077 (2010).
  34. Ohl, M., et al. The high-resolution neutron spin-echo spectrometer for the SNS with τ ≥ 1 µs. Physica B: Condensed Matter. 350, 147-150 (2004).
  35. . SNS-NSE web page Available from: https://neutrons.ornl.gov/nse (2022)
  36. Ohl, M., et al. The spin-echo spectrometer at the Spallation Neutron Source (SNS). Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 696, 85-99 (2012).
  37. Zolnierczuk, P. A., Holderer, O., Pasini, S., Kozielewski, T., Stingaciu, L. R., Monkenbusch, M. Efficient data extraction from neutron time-of-flight spin-echo raw data. Journal of Applied Crystallography. 52 (5), 1022-1034 (2019).
  38. . Dr Spine hub Available from: https://jugit.fz-juelich.de/nse/drspine (2022)
  39. Stadler, A. M., et al. Internal nanosecond dynamics in the intrinsically disordered myelin basic protein. Journal of the American Chemical Society. 136 (19), (2014).
  40. . FZJ Available from: https://www.fz-juelich.de/portal/EN/AboutUs (2022)
  41. . KWS2 Available from: https://miz-garching.de/kws-2 (2022)
  42. Moorhouse, M., Barry, P. The protein databank. Bioinformatics Biocomputing and Perl. , (2005).
  43. Tria, G., Mertens, H. D. T., Kachala, M., Svergun, D. I. Advanced ensemble modelling of flexible macromolecules using X-ray solution scattering. IUCrJ. 2 (2), 207-217 (2015).
  44. Holderer, O., Monkenbusch, M., Schätzler, R., Kleines, H., Westerhausen, W., Richter, D. The JCNS neutron spin-echo spectrometer J-NSE at the FRM II. Measurement Science and Technology. 90 (4), 043107 (2008).
  45. Biehl, R., Monkenbusch, M., Richter, D. Exploring internal protein dynamics by neutron spin echo spectroscopy. Soft Matter. 7 (4), 1299-1307 (2011).
  46. Stingaciu, L. R., Ivanova, O., Ohl, M., Biehl, R., Richter, D. Fast antibody fragment motion: Flexible linkers act as entropic spring. Scientific Reports. 6, 22148 (2016).
  47. Stadler, A. M., et al. Internal nanosecond dynamics in the intrinsically disordered myelin basic protein. Journal of the American Chemical Society. 136 (19), 6987-6994 (2014).
  48. Biehl, R., Richter, D. Slow internal protein dynamics in solution. Journal of Physics: Condensed Matter. 26 (50), 503103 (2014).
  49. Hinsen, K. The molecular modeling toolkit: A new approach to molecular simulations. Journal of Computational Chemistry. 21 (2), 79-85 (2000).
  50. Uhlenbeck, G. E., Ornstein, L. S. On the theory of the Brownian motion. Physical Review. 36 (5), 823 (1930).
  51. Wang, M. C., Uhlenbeck, G. E. On the theory of the Brownian motion II. Reviews of Modern Physics. 17, 323 (1945).
  52. Callaway, D. J. E., Bu, Z. Nanoscale protein domain motion and long-range allostery in signaling proteins-a view from neutron spin echo spectroscopy. Biophysical Reviews. 7 (2), 165-174 (2015).
  53. Liu, Y. Intermediate scattering function for macromolecules in solution probed by neutron spin echo. Physical Review E. 95, 020501 (2017).
  54. Liu, Y. Short-time dynamics of proteins in solutions studied by neutron spin echo. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 42, 147-156 (2019).

Tags

Neutron Spin Echo SpectroscopyProtein DynamicsProtein Domain MotionsBiophysical ResearchSample PreparationSample LoadingSample AlignmentTemperature ControlData Collection
check_url/kr/61862?article_type=t&slug=study-of-protein-dynamics-via-neutron-spin-echo-spectroscopy

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Stingaciu, L. Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy. J. Vis. Exp. (182), e61862, doi:10.3791/61862 (2022).
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