Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki ABD Enerji Bakanlığı Biyolojik ve Çevresel Araştırma Kullanıcı Tesisi olan Yapısal Moleküler Biyoloji Merkezi'nde (CSMB) protein ekspresyasyonu, saflaştırma ve kristalizasyon deneyleri yapıldı. Nötron kırınım verileri BL-11B MaNDi'de, ABD Enerji Bakanlığı Temel Enerji Bilimleri Ofisi Bilimsel Kullanıcı Tesisleri Bölümü tarafından desteklenen ORNL'deki Spallation Nötron Kaynağı'nda (SNS) toplanmıştır. Yazarlar Brendan Sullivan'a veri azaltma konusundaki yardımları için teşekkür ediyorlar. X-ışını kırınım verileri, Kuzey Carolina Eyaleti tarafından desteklenen North Carolina State Üniversitesi Moleküler Eğitim, Teknoloji ve Araştırma İnovasyon Merkezi (METRIC) tesislerinde toplanmıştır. GCS, kısmen Ulusal Araştırma Vakfı (NRF), Güney Afrika ve ORNL'deki Lisansüstü Fırsatlar (GO!) programından destek kabul eder. FM, USDA NIFA Hatch 211001 desteğini kabul ediyor.

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Nötron proteini kristalografisi, proteinlerde protonasyon durumlarını ve su molekülü yönelimini araştırmak için oldukça hassas bir tekniktir. Bu bilgi protein katalitik mekanizmalarına ışık tutar, çünkü protonasyon ve hidrojen bağlanma etkileşimlerindeki değişiklikler genellikle enzim kimyası için merkezidir10. Nötron proteini kristalografisi, bilgilendirici bir teknik olsa da, nötron kırınım deneyi yapmayı planlamadan önce dikkate alınması gereken bir dizi faktöre sahiptir, yani:
<ol><li>Veri toplama için büyük protein kristalleri gereksinimi.</li>
	<li>Hidrojenin ve metal iyonları gibi diğer elementlerin saçılma özellikleri.</li>
	<li>Kısırlaştırılmış örneklerle çalışırken yapı iyileştirme ve model oluşturma yazılımındaki sınırlamalar.</li>
</ol>Nötron proteini kristalografisi akı sınırlı bir tekniktir. X-ışını kırınım veri kümelerinin aksine, nötron veri kümeleri için doğal sınırlamalar (akı sınırlı, yarı Laue, daha uzun dalga boyları) nedeniyle nötron veri kümeleri için daha yüksek R faktörleri ve daha düşük tamlık, artıklık ve sinyal-gürültü oranları beklenmektedir. Tek bir çerçevenin veri toplaması genellikle 12 - 18 saattir. Bir deneyin başarısı, genellikle minimum gereksinim olan 0,1 mm3 kristallerle numune boyutuna ve kalitesine oldukça bağlıdır3. Nötron kırınımı, 10 ila 800 μL arasında değişen kristalizasyon damlaları kurmak için büyük miktarlarda protein üretimi gerektirir. Yeterince büyük kristaller yetiştirmek için minimum hacim, kristal ve numune parametreleri (https://neutrons.ornl.gov/imagine) verilen bir Hacim Hesaplayıcısı kullanılarak tahmin edilebilir. Büyük kristallerin büyümesi en yaygın olarak buhar difüzyonu ile gerçeklenmiştir3. Asılı damla kristalizasyonu, kristallerin 10-25 μL arasında değişen büyük damlalarda büyümesine izin verirken, ~ 50 μL'ye kadar değişen daha büyük damlalar ticari olarak mevcut oturma damlası ekipmanı14,54 kullanılarak ayarlanabilir. Silikonize dokuz kuyulu cam plakalar, 800 μL'ye kadar hacimlerle çok büyük damlalar kurmak için kullanılabilir. Bu cam tabaklar, Hampton Research'ün ticari olarak kullanabileceği "sandviç kutularına" yerleştirilir. Diğer kristalizasyon teknikleri, damla boyutunun sınırının gemi tarafından dikte edildiği toplu kristalizasyonu içerir. Toplu kristalizasyon deneyi kurulumu mikrolitrelerden mililitrelere kadar değişebilir55. Kristalizasyon, proteinin bir diyaliz zarı aracılığıyla çökelti ile denge edildiği diyaliz tekniği kullanılarak veya çökelti konsantrasyon gradyanı boyunca veya agarose56,57 gibi gözenekli bir tıkaç aracılığıyla karşı difüzyon ile de gerçekleştirilebilir. Tohumlama, istenen hacimde kristaller elde etmek için başka bir alternatif sunar. Mikro ve macroseeding, NcLPMO9D45'in büyük kristali de dahil olmak üzere büyük kristal büyümesi için başarıyla edilmiştir. Sıcaklığın çözünürlük üzerindeki etkisi de dahil olmak üzere protein faz diyagramı hakkında bazı bilgiler, büyük kristal büyümesine yardımcı oluyor.
Nötron kırınım deneyi planlarken, kırınım veri toplama sırasında sinyal-gürültü oranını en üst düzeye çıkarmak için protein hazırlığının optimizasyonu esastır7. H atomlarının neden olduğu yoğunluk iptalini ve yüksek tutarsız saçılmaları atlatmak için nötron SLD haritaları, pozitif tutarlı saçılma uzunluğuna ve düşük tutarsız saçılma uzunluğuna sahip olan Izotop D'siyle H atomları değiş tokuş edilerek geliştirilebilir. Bunu başarmak için hidrojenize protein kristalinin döterlenmiş kristalleşme tamponuna karşı buhar değişimi gerçekleştirilir. Bu, çözücü moleküllerin ve labile, titrilebilir protein H atomlarının H/ D değişimini sağlar23. Buhar değişimi, hidrojenize kristalin D2O bazlı, döterlenmiş kristalleşme tamponu "fişleri" ile bir kuvars kılcal damara monte edilmesiyle gerçekleştirilir ve en sık uygulanan etkili, nazik bir tekniği temsil eder14,23,35. Değişim birkaç hafta sürebilir ve tercihen maksimum H/D değişimini sağlamak için deuterated arabelleğin sık sık değiştirilmesini gerektirir. H/D değişimi, kristalin doğrudan sönmüş tampona batırılmasıyla da gerçekleştirilebilir. D2O maruziyeti nedeniyle kristalin stres altında kalmasını önlemek için, emme işlemi D2O:H2O oranının artarak kademeli olarak gerçekleştirilmesi gerekir58. Buna ek olarak, hidrojenize proteinin kristalizasyonu labile H bölgelerinde H/D değişimi için döterlenmiş tamponda da yapılabilir22,59. Bununla birlikte, D2O tabanlı tamponun bilinen H2O tabanlı koşulların daha fazla ayarlandırılmasını gerektiren protein çözünürlüğü üzerinde bir etkisi olduğu belirtilmelidir3,59. D2O bazlı tamponların da bazı durumlarda daha küçük kristallere yol açacağı gözlenmiştir59. Titretilebilir ve karbona bağlı H atomlarının D ile tam değişimi, perdeuterated bir örnek oluşturmak için kısırlaştırılmış ortamdaki proteinlerin ifade edilmesiyle elde edilebilir20. Perdeuterated numunenin elde edilen nötron SLD haritaları önemli ölçüde iyileştirilecek ve artık hidrojene numune muadili yoğunluk iptalini görüntülemeyecektir. Bu, bir protein veya kofaktörde değiş tokuş edilemeyen bölgelere bağlı H / D'yi karakterize ederken faydalıdır. Bununla birlikte, perdeuterated proteinin ekspresy ekspresy ifadesi hem maliyeti yüksektir hem de verimi düşüktür60. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL) Yapısal Moleküler Biyoloji Merkezi (CSMB), perdeuterated örnek (https://www.ornl.gov/facility/csmb) oluşturmak isteyen kullanıcılar için bir döterasyon olanağı sunmaktadır. Perdeuterated ekspresyon tipik olarak 1 L ölçeğinde bir biyoreaktörde gerçekleştirilir ve ~50 mg saflaştırılmış protein61 verir.
Nötron kırınım verilerinin toplanmasının ardından arıtma ve interaktif model oluşturma işlemi gerçekleştirilir. İyileştirme, phenix.refine, nCNS veya SHELXL28,31,32,33 dahil olmak üzere birden fazla yazılım paketi kullanılarak çalıştırılabilir. Phenix paketi, modeli nötron SLD haritalarından manuel olarak oluşturmak için kullanılan Coot ile birlikte nötron kırınım verilerinin iyileştirilmesi için en yaygın kullanılan yazılımdır34. Hem Phenix hem de Coot nötron kırınım verilerinin işlenmesine izin verse de, nötron verileri ve kısırlaştırılmış örneklerle ilişkili özellikleri işlemek için gerekli bazı özelliklerden yoksun olabilirler. Örneğin, Coot, "Gerçek Uzay Rafine Etme" özelliği "patlayan" kalıntılarla sonuçladığı için model oluşturma sırasında komplikasyonlara yol açabilecek, kısırlaştırılmış kalıntılar için geometri optimizasyonu içermez (Ek Şekil 26)62. Bu, tüm kısırlaştırılmış kalıntılar için kısıtlama dosyaları oluşturularak çözülebilir. Ancak, bu yoğun bir işlemdir ve bu tür kitaplıklar şu anda herkese açık değildir. Phenix'te iyileştirmeler yapılırken, değiştirilebilir H/D siteleri başlangıçta H ve D için 0,50 doluluk olarak ayarlanacaktır. Arıtmalar yapıldıkça, H ve D'nin doluluğu nötron SLD haritalarına göre iyileştirilecektir. İnteraktif model oluşturma sırasında, fark yoğunluğu Fo-Fc haritaları H / D doluluklarını değerlendirmede çok bilgilendiricidir. Haritalar, hangi sitelerin yüksek D doluluğuna sahip olduğunu belirlemek için kullanılabilir, bu da özellikle protonasyon durumlarının katalitik olarak ilgili olduğu aktif sitede bilgilendiricidir63. Belirsiz durumlar ortaya çıkar, ancak, H:D doluluk 0.70:0.30'a yakındır ve bu da nötron SLD haritalarında tam sinyal iptali ile sonuçlanır64. Ayrıca, yarı Laue nötron veri setlerinin genellikle X-ışını kırınım verileri için rutin olarak gözlenenden ≥% 98'den daha düşük olan% 80 civarında bütünlüğe sahip olduğu dikkate alınmalıdır. Phenix nötron kırınım verileri iyileştirilirken, eksik gözlemlenen genlikler (Fo) bu nedenle yansıma listesini tamamlamak için modelden hesaplanır, böylece model önyargısı ortaya çıkarır. Bu potansiyel önyargıyı hesaba katmak için "no_fill" haritaları , "doldurulmuş" haritaların aksine etkileşimli model oluşturma sırasında incelenmelidir.
Kullanıcılar, yapılarının ortak bir X-ışını/nötron veri iyileştirmesini veya yalnızca nötron verilerinin iyileştirilmesini gerçekleştirmeyi seçebilir. Nötron SLD haritalarını özellikle daha düşük çözünürlükte görselleştirmek, özellikle H/D buhar değişimine rağmen H'nin hala değişemeyen yerlerde bulunduğu hidrojenize bir protein için başlangıçta rahatsız edici olabilir. Bu, nötron yoğunluğu haritası iptalleriyle sonuçlanır ve süreksiz haritalar izlenimi verir65,66. karşılık gelen bir X-ray veri kümesinin toplanması, bu iptalleri ortak bir iyileştirmede avantajlı bir şekilde tamamlar (Şekil 13A ve Şekil 13B). Ortak iyileştirme stratejisi tipik olarak protein omurga koordinatlarının X-ışını verilerine karşı rafine edilmesini içerirken, nötron kırınım verileri değiştirilebilir sahalarda H/D atomlarının konumunu ve doluluğunu iyileştirmek için kullanılır28. Değiştirilebilir sahalarda ortak H/D doluluğunun getirilmesi rafine edilen parametrelerin sayısını artırdığından, X-ray verileriyle ortak bir iyileştirme de veri-parametre oranını artırır. Bir eklem iyileştirmesi, karşılık gelen bir X-ışını veri kümesinin aynı kristal veya aynı koşullar altında yetiştirilen bir kristal üzerinde aynı sıcaklıkta toplanmasını gerektirir. Oda sıcaklığında (300K) toplanan nötron kırınım verileri için, ilgili X-ışını veri kümesi, radyasyon hasarını sınırlamak için düşük doz veri toplama stratejisi kullanılarak oda sıcaklığında toplanmalıdır. Perdeuterated numuneler, aksine, aynı büyüklükte H/D sinyal iptali olmadığı için geliştirilmiş ve sürekli nötron SLD haritaları sağlar. Bununla birlikte, metaller ve kükürt de dahil olmak üzere belirli elementlerin nötron saçılma uzunluğu, protein perdeuterated olsa bile nötron SLD haritalarında zayıf görünür hale getirir (Şekil 13C-F)18. Bir metalin karakterize edilmesi gerekiyorsa, bir eklem iyileştirmesinde X-ışını kırınımını kullanmak veya kırınım deneylerini tamamlamak için spektroskopik teknikler uygulamak en iyisidir. Nötron veri kümesi yüksek çözünürlüğe sahip olduğunda veya perdeuterated protein kullanıldığında genellikle yalnızca nötron veri iyileştirmeleri gerçekleştirilir. Ek olarak, sadece nötron veri rafinajı, radyasyon hasarına karşı oldukça hassas bir protein üzerinde çalışılıyorsa özellikle yararlıdır, çünkü X-ışını türevi bir yapı radyasyon kaynaklı eserlere sahip olabilir. Yalnızca nötron verisi iyileştirmesi yapılacaksa, karşılık gelen nötron veri kümesinin yeterli eksiksizliğe ve çözünürlüğe sahip olup olmadığı tespit edilmelidir.
ORNL, nötron kırınım verilerinin toplanması için iki olanak sunar: HFIR'daki IMAGINE beamline ve SNS36,67'deki MaNDi kiriş hattı. Her iki cihaz da benzer ilkeleri kullanan bir nötron kırınım veri kümesi toplamak için etkili araçlar sağlarken, her enstrüman ışın süresi için başvururken dikkate alınması gereken benzersiz özelliklere sahiptir. IMAGINE, quasi-Laue verilerini toplar ve ~100 Å'ya kadar birim hücrelere sahip kristallerde oda sıcaklığı verisi toplanması için optimize edilmiştir. MaNDi, ~ 300 Å'ya kadar birim hücrelere sahip kristaller üzerinde TOF-Laue toplamayı kullanan oda sıcaklığı ve kriyo sıcaklığı verilerinin toplanması için kullanılabilir. Tam bir veri kümesini toplamadan önce, kristalin nötron ışınlarına tek bir kare için maruz kaldığı elde edilen kırınım deseninin kalitesini değerlendirmek için kristal üzerinde bir test yapılır. Kristal yeterli kalitedeyse, X-ray veri işlemeye benzer bir işlemde tam bir nötron kırınım veri kümesi toplanacak, dizine eklenecek, entegre edilecek, ölçeklendirilecek ve birleştirilecektir. IMAGINE Lauegen ve Lscale'den yararlanır ve MaNDi Mantid paketini kullanır ve üç boyutlu profil uydurması kullanır48,50,51,68,69,70. Bu tesislerden herhangi birine kullanıcı olan bilim insanlarına daha fazla analiz için MTZ veya HKL formatında bir veri kümesi sağlanacaktır.
Nötron kırınımı, biyolojik makromoleküllerin protonasyon durumunu ve hidrojen bağı etkileşimlerini yok etmek için tahribatsız, son derece hassas bir tekniktir. Özellikle fotoğrafa duyarlı proteinler ve metalloproteinler için faydalıdır. Bir deney yapmadan önce teknik ve verilerin işlenmesi ile ilgili çeşitli hususlar dikkate alınmalıdır, ancak sonuç, ilgi proteininin katalitik mekanizması hakkında değerli bilgiler verebilecek sonuçlar verir. Nötron proteini kristalografisi hesaplamalı, yapısal, biyokimyasal ve spektroskopik çalışmaları tamamlayarak biyoloğun biyolojik makromolekülleri karakterize etmek için kullanılan teknikler araç kutusunda değerli bir araç haline getirir.

Nötron makromoleküler kristalografi, proteinlerin yapısına ve alttaki kimyasına benzersiz bir pencere sağlayan bir tekniktir. Kavramsal olarak X-ışını kırınımsına benzer şekilde, nötron kırınımı makromoleküler yapının atomik ayrıntılarını sağlar, ancak nötronların çekirdeklerle etkileşimi, genellikle X-ışını kırınımı ile tespit edilmesi zor olan ışık atomlarının lokalizasyonunu sağlar1. X-ışını kırınımı sırasında, X ışınları elektron bulutundan dağılır ve hidrojen (H) gibi ışık atomlarını Ångström çözünürlüğüne yakın olmayan elektron yoğunluk haritalarında zayıf görünür hale getirir2. Buna karşılık, nötronların saçılma yoğunluğu, aynı elemanın izotoplarının farklı saçılma uzunlukları göstermesiyle çekirdekle karmaşık etkileşimlere bağlıdır. Bu nedenle, ışık atomları ve hidrojen (1H) ve döteryum (2H veya D) gibi izotopları, nötron saçılma uzunluğu yoğunluğu (SLD) haritalarındaki omurga karbon, azot ve oksijen atomlarıyla karşılaştırılabilir görünürlüğe sahiptir. Ayrıca, nötron saçılımının büyüklüğü elektron sayısından bağımsız olduğundan, ışık elementlerinden saçılma, X-ışını saçılmalarında da gözlendiği gibi, birbirlerine yakın olduklarında ağır elementler tarafından gizlenmez. Nötron kırınımı kullanırken H ve izotop D'nin gelişmiş görünürlüğü, katalitik olarak önemli kalıntıların, kofaktörlerin ve ligandların protonasyon durumu hakkında değerli bilgiler sağlar ve su moleküllerinin yönlendirilmesine yardımcı olarak katalitik mekanizmalar ve protein kimyası hakkında önemli bilgiler ortaya çıkarır3. Nötron kırınımı ayrıca, özellikle metal merkezleri veya ışığa duyarlı redoks kofaktörleri gibi iyonlaşmaya duyarlı biyolojik örneklere uygun tahribatsız bir teknik olma avantajı sunar2. Bu makalenin ana odak noktası, yüksek kaliteli bir nötron proteini kristal yapısı elde etmek için iş akışına genel bir bakış sağlamaktır. Nötron protein kırınımının mükemmel bir genel görünümü için ilgili okuyucuyu Podjarny ve ark.4, Blakeley5, Blakeley ve ark.6 ve O'Dell ve diğerleri için ve nötron saçılımının daha fazla uygulaması için Ashkar ve ark.7'ye yönlendiriyoruz.
Nötronlar öncelikle iki işlemden birini kullanan nükleer reaksiyonlar sırasında üretilir: reaktör kaynaklarında nükleer fisyon veya hızlandırıcı tabanlı kaynaklarda spallasyon8. Reaktör kaynakları , 235U izotopun nükleer fizyonunu kullanarak sürekli bir nötron ışını sağlarken, spallation nötron kaynakları bir hedefi, örneğin cıva gibi sıvı bir metali protons9 ile bombalayarak darbeli bir nötron ışını üretir. Oak Ridge, Tennessee'deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL), Yüksek Akı Izotop Reaktörü'nde (HFIR) hem sabit bir nötron kaynağına hem de Spallation Nötron Kaynağı'nda (SNS) 60 Hz darbeli bir kaynağa ev sahipliği yapmaktadır. HFIR'da bulunan IMAGINE beamline, biyolojik makromoleküller için optimize edilmiş bir nötron difaraktometresidir (Ek Şekil 1)10. IMAGINE, birim hücre kenarları <150 şolan tek kristallerden 2,8 – 4,5 şaralığında dar bir bandpass kullanarak yarı Laue verilerini ölçmek için bir nötron görüntü plakası dedektörü kullanıyor. SNS'de bulunan Makromoleküler Nötron Difaraktometresi (MaNDi), küresel dedektör dizi çerçevesi (DAF) (Ek Şekil 2)11 ile donatılmış bir uçuş zamanı (TOF) Laue nötron difaraktometresidir. MaNDi, 2.0 – 6.0 Å12 arasında ayarlanabilir 2 şdalga boyu bant genişliği kullanarak 10 – 300 şaralığında birim hücre kenarlarına sahip tek kristallerden gelen verileri ölçer.
Nötron üretme süreci oldukça enerji yoğundur, bu da senkrotron kaynaklarında X-ışını ışını akılarının aksine nispeten zayıf nötron ışını akılarına neden olur13. Veri toplama sırasında yeterli sinyal-gürültü oranlarını sağlamak için uygun boyutta ve kalitede kristaller yetiştirmek gerekir14. Tipik olarak, yeterli istatistiklerle veri toplamak için hacimleri 0,1 mm3'> kristallere ihtiyaç vardır15. Daha düşük akılara ek olarak, nötronlar ve örnek çekirdekler arasındaki etkileşimin doğal özellikleri dikkate alınmalıdır16. Nötronların saçılma uzunluğu, aynı elemanın izotopları için farklılık gösterir, bir numunenin bölgelerini maskelamak veya vurgulamak için küçük açılı nötron saçılmada (SANS) avantajlı bir şekilde yararlanılabilen bir özelliktir - kontrast eşleştirme17 olarak bilinen bir işlem. Kırınım deneylerinde, H'nin negatif tutarlı nötron saçılma uzunluğu (-1H için-3.741 fm), nötron saçılma yoğunluk haritası özelliklerinin iptaline neden olabilir, çünkü diğer biyolojik olarak ilgili atomların tutarlı nötron saçılma uzunlukları, karbon (12C için 6.6511 fm), azot (14N için 9.37 fm), oksijen (16O için 5.803 fm), fosfor (31P için 5.13 fm) ve kükürt (32S için 2.804 fm), pozitiftir (Tablo 1)12,14. Ayrıca, H'nin (25.274 fm) büyük tutarsız saçılma uzunluğu, veri toplama sırasında arka planı artırarak veri kümesinin kalitesini engeller ve veri çözünürlüğünü tehlikeye atar7. H tarafından getirilen bu sınırlamaları atlatmak için, nötron kırınımı için, H'yi pozitif tutarlı nötron saçılma uzunluğuna (6.671 fm) ve önemli ölçüde daha düşük tutarsız saçılma uzunluğuna (4.04 fm)19 sahip izotop döteryumu, 2H(D) ile değiştirmek gerekir. Bu, proteinin tamamen döterlenmiş ortamda yetişen organizmalar tarafından ifade edildiği ve H sitelerinde D'nin tamamen birleştirilmesini sağlayan bir süreç olan perdeuterasyon ile elde edilebilir20. Proteini kısmen döterleme, H'yi sadece değiştirilebilir sahalarda (titretilebilir gruplar) D ile değiştirerek, değiştirilebilir olmayan karbona bağlı bölgeler hidrojene olarak kalırken kısmen deutere etmek de mümkündür21. Bu, döterlenmiş ana likörde hidrojenize protein kristallerinin büyümesiyle elde edilebilir22. Bununla birlikte, en yaygın olarak, hidrojenize proteinlerin H / D değişimi, H2O bazlı tampon23'te uygun büyük kristallerin büyümesini takiben buhar değişimi ile gerçekleştirilir. Bu gibi durumlarda, kristaller bir kuvars kılcal damara monte edilir ve D20 bazlı bir ana likör ile buharla dengelenir.
Nötron kaynaklarındaki sınırlı nötron akıları, günler ile birkaç hafta arasında değişen daha uzun veri toplama sürelerine neden oluyor24. ORNL'de hem IMAGINE hem de MaNDi, veri toplamayı optimize etmek için 2-6 şaralığında dar bir dalga boyu bandpası kullanır25. Veriler oda sıcaklığında veya kriyo sıcaklığında toplanabilir. Kriyo-veri toplama potansiyel olarak veri kalitesini artırabilir ve dondurarak katalitik ara ürünler için olasılık açar. Nötron kırınım veri toplamayı takiben, bir X-ışını veri kümesi genellikle aynı sıcaklıkta aynı kristalde veya aynı koşullarda yetiştirilen bir kristal üzerinde toplanır26. Aynı sıcaklıkta veri toplama, hem X-ışını hem de nötron verilerine karşı yapı iyileştirmesi yapılmasına izin vererek, suların görünürlüğünde ve konumundaki değişiklikler veya alternatif konformasyonlarla kalıntıların doluluğu gibi potansiyel sıcaklık kaynaklı eserleri önler27. Ortak X-ışını nötron veri rafine etme veri-parametre oranını artırır ve protein omurga koordinatlarının X-ışını verilerine karşı rafine edilmesine izin verme avantajı sağlarken, nötron kırınım verileri H/D atomlarının konumunu iyileştirmek için kullanılır28. Bu, protein üzerinde değiş tokuş edilemeyen bölgelerde H atomları nedeniyle yoğunluk iptalinin mevcut olduğu kısmen deuterated örnekleri kullanırken özellikle yararlıdır. X-ışını yapılarının sayısı Protein Veri Bankası'nda (PDB) biriken nötron yapılarının sayısını çok aşsa da, başlangıçta X-ray verilerinin iyileştirilmesi için tasarlanan yazılım paketleri nötron verilerinin yanı sıra 3,29,30'u kapsayacak şekilde genişletilmiştir. Veri toplamayı takiben modeller phenix.refine, CNSsolve (nCNS) veya SHELXL28,31,32,33 gibi arıtma paketleri kullanılarak geliştirilebilir. Arıtma işlemi sırasında, nötron saçılma yoğunluk haritaları COOT34 kullanılarak manuel montaj için görselleştirilebilir. Yapı çözümünü takiben, koordinatlar ve nötron ve/veya X-ışını kırınım veri dosyaları, modeli doğrulayacak ve yatıracak olan PDB'ye gönderilebilir ve bu da genel erişime açık hale getirir18,29,30.
Proteinlerin yapısal analizi, işlevlerini ve mekanizmalarını araştırmak için çok sayıda tekniğin kullanıldığı çok yönlü bir yaklaşımdır35. Nötron proteini kristalografisi, X-ışını kırınımı, spektroskopi, nükleer manyetik rezonans (NMR) veya mikro kristal elektron kırınımı (microED)36 gibi ek çalışmalardan elde edilen bulguları genişletmek ve tamamlamak için değerli kimyasal içgörüler sağlar. Nötron protein kırınımı, enzimmatik mekanizmalar hakkında içgörüler sağlamak için benzersiz bir şekilde konumlandırılmıştır, çünkü H atomları kimyalarının merkezindedir. Nötronlar tarafından indüklenen radyasyon hasarının olmaması, onları metalloproteinlerin çalışmasına son derece uygun bir prob haline getirir37. Burada, numune hazırlamadan veri toplama, arıtma ve analize kadar nötron protein kırınımı sürecinin temsili bir örneğini sunuyoruz (Şekil 1). Metalloprotein Neurospora crassa LPMO9D (NcLPMO9D) nötron kırınım deneyleri için yeterli büyüklükte kristaller yetiştirilmiştir. Nc LPMO9D, glikosidik bağda oksijen atomu yerleştirilmesi ile recalcitrant selülozun bozulmasında rol oynayan bakır içeren bir metalloproteindir38,39. NcLPMO9D aktif bölgesi, N-terminal histidin ve ikinci bir korunmuş histidinden oluşan karakteristik bir "histidin-ayraç" içinde mononükleer bakır merkezi içerir (Ek Şekil 3)40. Mantar LPMO'larının N terminali metillenmiştir, ancak geçiş sonrası modifikasyon mayadaki rekombinant ekspresyoz sırasında gerçekleşmez. NcLPMO9D dinlenme durumunda, bakır merkezi Cu2 + oksidasyon durumunda bulunur ve Cu1+ için tek elektron azaltımı ile aktive edilir, moleküler oksijenin hızla bir süperoksit türüne indirgenerek bağlanmasına ve aktive edilmesine izin verir41,42. Genel NcLPMO9D reaksiyonu, hidroksillenmiş polisakkarit ürününü oluşturmak için bir elektron ve iki protonun daha fazla eklenmesini gerektirir43. Polisakkarit substratından hidrojen atom soyutlamasından (HAA) sorumlu aktif oksijen türlerinin kimliği tespit edilememiş diriltilmiş diri dırı dırım ve yoğun yapısal ve hesaplamalı çalışmalar halen devam etmektedir44,45. NcLPMO9D aktif sahasındaki redoks kimyası göz önüne alındığında, radyasyon hasarının azaltılması özellikle önemlidir. NcLPMO9D yapısını sırasıyla 46'da, dinlenme durumunda ve etkinleştirilmiş azaltılmış formda belirlemek için NcLPMO9D kristallerinde oda sıcaklığını ve kriyo sıcaklığı veri toplamayı burada gösteriyoruz. Protein kristal montajına, veri toplama için beamline enstrüman kurulumuna, verilerin ve koordinat dosyalarının hazırlanmasına ve tamamen atomlu bir nötron yapısını modellemek için gerekli iyileştirme adımlarına vurgu yapılacaktır.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Absorbent Paper Points Size #30-#40, 60 mm length</td>
			<td>DiaDent/DiaVet</td>
			<td>218-292</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Capillary wax</td>
			<td>Hampton</td>
			<td>HR4-328</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCP4</td>
			<td></td>
			<td>Version 7.0.077</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conical Centrifuge Tubes (15 mL)</td>
			<td>Corning</td>
			<td>CLS430790</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conical Centrifuge Tubes (50mL)</td>
			<td>Corning</td>
			<td>CLS430828</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coot</td>
			<td></td>
			<td>Version 0.8.9.2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CrystalCap ALS</td>
			<td>Hampton</td>
			<td>HR4-779</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Curved-Tip Forceps</td>
			<td>Mitegen</td>
			<td>TW-CTF-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuterium chloride solution, 35 wt. % in D2O, &#8805;99 atom % D</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>543047</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuterium oxide 99.9 atom % D</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>151882</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual Thickness MicroLoops 1000 &#181;m</td>
			<td>Mitegen</td>
			<td>M5-L18SP-1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FiveEasy pH meter F20-Std-Kit</td>
			<td>Mettler Toledo</td>
			<td>30266626</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Foam Dewars Standard Vessel 800 ml</td>
			<td>Spearlab</td>
			<td>M-FD-800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Four Color Mounting Clay</td>
			<td>Hampton</td>
			<td>HR4-326</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES, BioUltra, for molecular biology, &#8805;99.5% (T),</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>54457</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High flux rotating anode X-ray diffractomemeter with EIGER 4M detector</td>
			<td>Rigaku, Oxford Cryostream and Dectris</td>
			<td>XtaLAB Synergy-R</td>
			<td>Home source X-ray diffractometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic Wand Straight</td>
			<td>Mitegen</td>
			<td>M-R-1013198</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microloader, tip for filling Femtotips and other glass microcapillaries (for research use only), 0.5 &#8211; 20 &#181;L, 100 mm, light gray, 192 pcs. (2 racks &#215; 96 pcs.)</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>930001007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microtubes volume 1.5 mL</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>Z606340</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri Dishes with Clear Lid 100 mm diameter</td>
			<td>Fischerbrand</td>
			<td>FB0875713</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phenix</td>
			<td></td>
			<td>Version 1.14-3260</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pin Tong 18 mm</td>
			<td>Mitegen</td>
			<td>M-R-1013196</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette Volume 0.1-2.5 &#956;L</td>
			<td>Eppendorf Research</td>
			<td>Z683779</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette Volume 100-1000 &#956;L</td>
			<td>Eppendorf Research</td>
			<td>Z683825</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette Volume 10-100 &#956;L</td>
			<td>Eppendorf Research</td>
			<td>Z683809</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette Volume 20-200 &#956;L</td>
			<td>Eppendorf Research</td>
			<td>Z683817</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(ethylene glycol) BioXtra, average mol wt 3,350, powder</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P4338</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quartz Capillary , 1.00 mm inner diameter, 80 mm length</td>
			<td>Hampton</td>
			<td>HR6-146</td>
			<td>Thin-walled capillary</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Research Stereomicroscope System</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>SZX16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reusable B3 (SSRL/SAM Style) Goniometer Bases</td>
			<td>Mitegen</td>
			<td>GB-B3-R</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Round - Miniature Hollow Glass Tubing (VitroTubes) Clear Fused Quartz / 1.00 mm inner diameter, 100 mm length</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>CV1012</td>
			<td>Thick-walled capillary</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sandwich Box with cover</td>
			<td>Hampton</td>
			<td>HR3-132</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Siliconized 9 Well Glass Plate</td>
			<td>Hampton</td>
			<td>HR3-134</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sitting Drop Crystallization Plate (24 Big Well)</td>
			<td>Mitegen</td>
			<td>XQ-P-24S-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium deuteroxide solution, 40 wt. % in D2O, 99 atom % D</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>176788</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thick Siliconized circle cover slides (22 mm x 0.96 mm)</td>
			<td>Hampton</td>
			<td>HR3-247</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal Pipet Tips, 0.1 - 10 &#181;L</td>
			<td>VWR</td>
			<td>76322-528</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal Pipet Tips, 1 - 100 &#181;L</td>
			<td>VWR</td>
			<td>76322-136</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal Pipet Tips, 100 - 1000 &#181;L</td>
			<td>VWR</td>
			<td>76322-154</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal Pipet Tips, 20 - 200 &#181;L</td>
			<td>VWR</td>
			<td>76322-150</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal Pipet Tips, 1 - 20 &#181;L</td>
			<td>VWR</td>
			<td>76322-134</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wax pen</td>
			<td>Hampton</td>
			<td>HR4-342</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

neutron crystallography data collection and processing for modelling hydrogen atoms in protein structures

Nötron kristalografisi, biyolojik makromoleküller içindeki hidrojen atomu konumlarının belirlenmesine izin veren, radyasyon hasarına neden olmazken protonasyon ve hidrasyon durumları hakkında mekanistik olarak önemli bilgiler veren yapısal bir tekniktir. Buna karşılık X-ışını kırınımı, ışık atomlarının konumu hakkında sadece sınırlı bilgi sağlar ve X-ışını ışını, ışığa duyarlı kofaktörlerin ve metal merkezlerin radyasyon hasarına neden olur. Burada sunulan, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki (ORNL) IMAGINE ve MaNDi kiriş hatları için uygun boyutta bir protein kristali (> 0,1 mm3) yetiştirildikten sonra nötron kırınım yapısı elde etmek için kullanılan iş akışıdır. Nötron kırınım verisi toplanması için hidrojenize protein kristallerinin kuvars kılcal damarlara montesini gösteriyoruz. Ayrıca, döteryum ile değiştirilebilir sahalarda hidrojen atomlarının değiştirilmesini sağlamak için D2O içeren tampon ile monte edilmiş kristallerin buhar değişim süreci de sunulmaktadır. Döteryumun birleştirilmesi, hidrojen atomlarının tutarsız saçılımından kaynaklanan arka planı azaltır ve negatif tutarlı saçılma uzunluklarının neden olduğu yoğunluk iptalini önler. Örnek hizalama ve oda sıcaklığı veri toplama stratejileri, Yüksek Akı Izotop Reaktörü'ndeki (HFIR) IMAGINE'de quasi-Laue veri toplama kullanılarak gösterilmiştir. Ayrıca, kristal montajı ve sıvı nitrojende hızlı donma, laboratuvar reaksiyonu aralarını hapsetmek için kriyo-veri toplama, Spallation Nötron Kaynağı'ndaki (SNS) MaNDi uçuş zamanı cihazında gösterilmiştir. Model koordinat ve kırınım veri dosyalarının hazırlanması ve nötron saçılma uzunluğu yoğunluğu (SLD) haritalarının görselleştirilmesi de ele alınacaktır. İlgi çekici proteinin tamamen atom yapısını elde etmek için sadece nötron verilerine veya ortak X-ışını/nötron verilerine karşı yapı iyileştirmesi nihayet tartışılacaktır. Nötron yapısının belirlenmesi süreci, glikosidik bağın oksidatif bölünmesi yoluyla recalcitrant polisakkaritlerin bozulmasında rol oynayan bakır içeren bir metalloprotein olan litik polisakkarit monooksijenaz Neurospora crassa LPMO9D kristalleri kullanılarak gösterilecektir.

Watch this Scientific Journal Video about Neutron Crystallography Data Collection and Processing for Modelling Hydrogen Atoms in Protein Structures at JoVE.com

Neutron Crystallography Data Collection and Processing for Modelling Hydrogen Atoms in Protein Structures

Nötron proteini kristalografisi, hidrojen atomlarının lokalizasyonuna izin veren ve böylece protein fonksiyonunun önemli mekanistik ayrıntılarını sağlayan yapısal bir tekniktir. Burada bir protein kristali montajı için iş akışını sunuyoruz, nötron kırınım veri toplama, yapı iyileştirme ve nötron saçılma uzunluğu yoğunluk haritalarının analizi.

Protein Yapılarında Hidrojen Atomlarının Modellenmesi için Nötron Kristalografisi Veri Toplama ve İşleme

Neutron crystallography is a structural technique that allows determination of hydrogen atom positions within biological macromolecules, yielding ...

neutron-crystallography-data-collection-processing-for-modelling

Research

JoVE Journal

Chemistry

4.8K Görüntüleme.  North Carolina State University. Nötron proteini kristalografisi, hidrojen atomlarının lokalizasyonuna izin veren ve böylece protein fonksiyonunun önemli mekanistik ayrıntılarını sağlayan yapısal bir tekniktir. Burada bir protein kristali montajı için iş akışını sunuyoruz, nötron kırınım veri toplama, yapı iyileştirme ve nötron saçılma uzunluğu yoğunluk haritalarının analizi.

Video: Neutron Crystallography Data Collection and Processing for Modelling Hydrogen Atoms in Protein Structures

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

All cellular processes depend on the functionality of proteins. Although the functionality of a given protein is the direct consequence of its unique amino acid sequence, it is only realized by the folding of the polypeptide chain into a single defined three-dimensional arrangement or more commonly into an ensemble of interconverting conformations. Investigating the connection between protein conformation and its function is therefore essential for a complete understanding of how proteins are able to fulfill their great variety of tasks. One possibility to study conformational changes a protein undergoes while progressing through its functional cycle is hydrogen-1H/2H-exchange in combination with high-resolution mass spectrometry (HX-MS). HX-MS is a versatile and robust method that adds a new dimension to structural information obtained by e.g. crystallography. It is used to study protein folding and unfolding, binding of small molecule ligands, protein-protein interactions, conformational changes linked to enzyme catalysis, and allostery. In addition, HX-MS is often used when the amount of protein is very limited or crystallization of the protein is not feasible. Here we provide a general protocol for studying protein dynamics with HX-MS and describe as an example how to reveal the interaction interface of two proteins in a complex. &#160;&#160;

Protein conformation and dynamics are key to understanding the relationship between protein structure and function. Hydrogen exchange coupled with high-resolution mass spectrometry is a versatile method to study the conformational dynamics of proteins as well as characterizing protein-ligand and protein-protein interactions, including contact interfaces and allosteric effects.

Hidrojen Değişim Kütle Spektrometre Kullanarak Protein Dinamiği Analizi

All cellular processes depend on the functionality of proteins. Although the functionality of a given protein is the direct consequence of its unique ...

Kimya

Supercritical Nitrogen Processing for the Purification of Reactive Porous Materials

Supercritical fluid extraction and drying methods are well established in numerous applications for the synthesis and processing of porous materials. Herein, nitrogen is presented as a novel supercritical drying fluid for specialized applications such as in the processing of reactive porous materials, where carbon dioxide and other fluids are not appropriate due to their higher chemical reactivity. Nitrogen exhibits similar physical properties in the near-critical region of its phase diagram as compared to carbon dioxide: a widely tunable density up to ~1 g ml-1, modest critical pressure (3.4 MPa), and small molecular diameter of ~3.6 &#197;. The key to achieving a high solvation power of nitrogen is to apply a processing temperature in the range of 80-150 K, where the density of nitrogen is an order of magnitude higher than at similar pressures near ambient temperature. The detailed solvation properties of nitrogen, and especially its selectivity, across a wide range of common target species of extraction still require further investigation. Herein we describe a protocol for the supercritical nitrogen processing of porous magnesium borohydride.

Nitrogen is an effective supercritical fluid for extraction or drying processes due to its small molecular size, high density in the near-liquid supercritical regime, and chemical inertness. We present a supercritical nitrogen drying protocol for the purification treatment of reactive, porous materials.

Reaktif Gözenekli Malzemelerin Saflaştırılması Süperkritik Azot İşleme

Supercritical fluid extraction and drying methods are well established in numerous applications for the synthesis and processing of porous materials. ...

Functionalization of Single-walled Carbon Nanotubes with Thermo-reversible Block Copolymers and Characterization by Small-angle Neutron Scattering

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous solution. In a carbon nanotube/PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407) aqueous solution, the amphiphilic poloxamer 407 adsorbs onto the carbon nanotube surfaces and self-assembles into continuous layers, driven by intermolecular interactions between constituent molecules. The addition of 5-methylsalicylic acid changes the self-assembled structure from spherical-micellar to a cylindrical morphology. The fabricated poloxamer 407/carbon nanotube hybrid particles exhibit thermo-responsive structural features so that the density and thickness of poloxamer 407 layers are also reversibly controllable by varying temperature. The detailed structural properties of the poloxamer 407/carbon nanotube particles in suspension can be characterized by small-angle neutron scattering experiments and model fit analyses. The distinct curve shapes of the scattering intensities depending on temperature control or addition of aromatic additives are well described by a modified core-shell cylinder model consisting of a carbon nanotube core cylinder, a hydrophobic shell, and a hydrated polymer layer. This method can provide a simple but efficient way for the fabrication and in-situ characterization of carbon nanotube-based nano particles with a structure-tunable encapsulation.

A method for the functionalization of carbon nanotubes with structure-tunable polymeric encapsulation layers and structural characterization using small-angle neutron scattering is presented.

Küçük açılı Nötron Saçılma tarafından Thermo-geri dönüşümlü Blok Kopolimer ve Karakterizasyonu Tek duvarlı Karbon Nanotüpler işlevselleştirilmesi

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous ...

X-ray Powder Diffraction in Conservation Science: Towards Routine Crystal Structure Determination of Corrosion Products on Heritage Art Objects

The crystal structure determination and refinement process of corrosion products on historic art objects using laboratory high-resolution X-ray powder diffraction (XRPD) is presented in detail via two case studies.
The first material under investigation was sodium copper formate hydroxide oxide hydrate, Cu4Na4O(HCOO)8(OH)2&#8729;4H2O (sample 1) which forms on soda glass/copper alloy composite historic objects (e.g., enamels) in museum collections, exposed to formaldehyde and formic acid emitted from wooden storage cabinets, adhesives, etc. This degradation phenomenon has recently been characterized as &#34;glass induced metal corrosion&#34;.
For the second case study, thecotrichite, Ca3(CH3COO)3Cl(NO3)2&#8729;6H2O (sample 2), was chosen, which is an efflorescent salt forming needlelike crystallites on tiles and limestone objects which are stored in wooden cabinets and display cases. In this case, the wood acts as source for acetic acid which reacts with soluble chloride and nitrate salts from the artifact or its environment.
The knowledge of the geometrical structure helps conservation science to better understand production and decay reactions and to allow for full quantitative analysis in the frequent case of mixtures.

Modern high resolution X-ray powder diffraction (XRPD) in the laboratory is used as an efficient tool to determine crystal structures of long-known corrosion products on historic objects.

Koruma Bilimi X-ışını Toz Kırınım: Miras Sanat Objects Korozyon Ürünleri Rutin Kristal Yapı Tayini Doğru

The crystal structure determination and refinement process of corrosion products on historic art objects using laboratory high-resolution X-ray powder ...

Highly Stable, Functional Hairy Nanoparticles and Biopolymers from Wood Fibers: Towards Sustainable Nanotechnology

Nanoparticles, as one of the key materials in nanotechnology and nanomedicine, have gained significant importance during the past decade. While metal-based nanoparticles are associated with synthetic and environmental hassles, cellulose introduces a green, sustainable alternative for nanoparticle synthesis. Here, we present the chemical synthesis and separation procedures to produce new classes of hairy nanoparticles (bearing both amorphous and crystalline regions) and biopolymers based on wood fibers. Through periodate oxidation of soft wood pulp, the glucose ring of cellulose is opened at the C2-C3 bond to form 2,3-dialdehyde groups. Further heating of the partially oxidized fibers (e.g., T = 80 &#176;C) results in three products, namely fibrous oxidized cellulose, sterically stabilized nanocrystalline cellulose (SNCC), and dissolved dialdehyde modified cellulose (DAMC), which are well separated by intermittent centrifugation and co-solvent addition. The partially oxidized fibers (without heating) were used as a highly reactive intermediate to react with chlorite for converting almost all aldehyde to carboxyl groups. Co-solvent precipitation and centrifugation resulted in electrosterically stabilized nanocrystalline cellulose (ENCC) and dicarboxylated cellulose (DCC). The aldehyde content of SNCC and consequently surface charge of ENCC (carboxyl content) were precisely controlled by controlling the periodate oxidation reaction time, resulting in highly stable nanoparticles bearing more than 7 mmol functional groups per gram of nanoparticles (e.g., as compared to conventional NCC bearing &#60;&#60; 1 mmol functional group/g). Atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM) attested to the rod-like morphology. Conductometric titration, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance (NMR), dynamic light scattering (DLS), electrokinetic-sonic-amplitude (ESA) and acoustic attenuation spectroscopy shed light on the superior properties of these nanomaterials.

Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.

Son derece kararlı, Fonksiyonel Tüylü Nanoparçacıklar ve Ahşap Elyaf Biyopolimerler: Sürdürülebilir Nanoteknoloji Doğru

Nanoparticles, as one of the key materials in nanotechnology and nanomedicine, have gained significant importance during the past decade. While ...

Experimental Methods for Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment

Long-term space flights and cis-lunar research platforms require a sustainable and light life-support hardware which can be reliably employed outside the Earth's atmosphere. So-called 'solar fuel' devices, currently developed for terrestrial applications in the quest for realizing a sustainable energy economy on Earth, provide promising alternative systems to existing air-revitalization units employed on the International Space Station (ISS) through photoelectrochemical water-splitting and hydrogen production. One obstacle for water (photo-) electrolysis in reduced gravity environments is the absence of buoyancy and the consequential, hindered gas bubble release from the electrode surface. This causes the formation of gas bubble froth layers in proximity to the electrode surface, leading to an increase in ohmic resistance and cell-efficiency loss due to reduced mass transfer of substrates and products to and from the electrode. Recently, we have demonstrated efficient solar hydrogen production in microgravity environment, using an integrated semiconductor-electrocatalyst system with p-type indium phosphide as the light-absorber and a rhodium electrocatalyst. By nanostructuring the electrocatalyst using shadow nanosphere lithography and thereby creating catalytic 'hot spots' on the photoelectrode surface, we could overcome gas bubble coalescence and mass transfer limitations and demonstrated efficient hydrogen production at high current densities in reduced gravitation. Here, the experimental details are described for the preparations of these nanostructured devices and further on, the procedure for their testing in microgravity environment, realized at the Bremen Drop Tower during 9.3 s of free fall.

Efficient solar-hydrogen production has recently been realized on functionalized semiconductor-electrocatalyst systems in a photoelectrochemical half-cell in microgravity environment at the Bremen Drop Tower. Here, we report the experimental procedures for manufacturing the semiconductor-electrocatalyst device, details of the experimental set-up in the drop capsule and the experimental sequence during free fall.

Mikroyerçekimi Ortamında Verimli Güneş HidrojenI Üretimi Için Deneysel Yöntemler

Long-term space flights and cis-lunar research platforms require a sustainable and light life-support hardware which can be reliably employed outside the ...

Synthesis of Metal Nanoparticles Supported on Carbon Nanotube with Doped Co and N Atoms and its Catalytic Applications in Hydrogen Production

A method for facile synthesis of nanostructured catalysts supported on carbon nanotubes with atomically dispersed cobalt and nitrogen dopant is presented herein. The novel strategy is based on a facile one-pot pyrolysis treatment of cobalt (II) acetylacetonate and nitrogen-rich organic precursors under Ar atmosphere at 800 &#176;C, resulting in the formation of Co- and N- co-doped carbon nanotube with earthworm-like morphology. The obtained catalyst was found to have a high density of defect sites, as confirmed by Raman spectroscopy. Here, cobalt (II) nanoparticles were stabilized on the atomically dispersed cobalt- and nitrogen-doped carbon nanotubes. The catalyst was confirmed to be effective in the catalytic hydrolysis of ammonia borane, in which the turnover frequency was 5.87 mol H2&#183;molCo-1&#183;min-1, and the specific hydrogen generation rate was determined to be 2447 mL H2&#183;gCo-1&#183;min-1. A synergistic function between the Co nanoparticle and the doped carbon nanotubes was proposed for the first time in the catalytic hydrolysis of ammonia borane reaction under a mild condition. The resulting hydrogen production with its high energy density and minimal refueling time could be suitable for future development as energy sources for mobile and stationary applications such as road trucks and forklifts in transport and logistics.

Here, we present a protocol to synthesize Co nanoparticles supported on carbon nanotubes with Co- and N- dopants for hydrogen productions.

Karbon Nanotüp Üzerinde Katkılı Co ve N Atomları ile Desteklenen Metal Nanopartiküllerin Sentezi ve Hidrojen Üretiminde Katalitik Uygulamaları

A method for facile synthesis of nanostructured catalysts supported on carbon nanotubes with atomically dispersed cobalt and nitrogen dopant is presented ...

Hydrogen Production and Utilization in a Membrane Reactor

Industrial hydrogenation consumes ~11 Mt of fossil-derived H2 gas yearly. Our group invented a membrane reactor to bypass the need to use H2 gas for hydrogenation chemistry. The membrane reactor sources hydrogen from water and drives reactions using renewable electricity. In this reactor, a thin piece of Pd separates an electrochemical hydrogen production compartment from a chemical hydrogenation compartment. The Pd in the membrane reactor acts as (i) a hydrogen-selective membrane, (ii) a cathode, and (iii) a catalyst for hydrogenation. Herein, we report the use of atmospheric mass spectrometry (atm-MS) and gas chromatography mass spectrometry (GC-MS) to demonstrate that an applied electrochemical bias across a Pd membrane enables efficient hydrogenation without direct H2 input in a membrane reactor. With atm-MS, we measured a hydrogen permeation of 73%, which enabled the hydrogenation of propiophenone to propylbenzene with 100% selectivity, as measured by GC-MS. In contrast to conventional electrochemical hydrogenation, which is limited to low concentrations of starting material dissolved in a protic electrolyte, the physical separation of hydrogen production from utilization in the membrane reactor enables hydrogenation in any solvent or at any concentration. The use of high concentrations and a wide range of solvents is particularly important for reactor scalability and future commercialization.

Membrane reactors enable hydrogenation in ambient conditions without direct H2 input. We can track the hydrogen production and utilization in these systems using atmospheric mass spectrometry (atm-MS) and gas chromatography mass spectrometry (GC-MS).

Bir Membran Reaktöründe Hidrojen Üretimi ve Kullanımı

Industrial hydrogenation consumes ~11 Mt of fossil-derived H2 gas yearly. Our group invented a membrane reactor to bypass the need to use H2 gas for ...

Multimodal, Hızlı, Hiperspektral Kimyasal Analiz için VSFG Mikroskobu Kullanma

Multimodal Nonlinear Hyperspectral Chemical Imaging Using Line-Scanning Vibrational Sum-Frequency Generation Microscopy

Vibrational sum-frequency generation (VSFG), a second-order nonlinear optical signal, has traditionally been used to study molecules at interfaces as a spectroscopy technique with a spatial resolution of ~100 &#181;m. However, the spectroscopy is not sensitive to the heterogeneity of a sample. To study mesoscopically heterogeneous samples, we, along with others, pushed the resolution limit of VSFG spectroscopy down to ~1 &#181;m level and constructed the VSFG microscope. This imaging technique not only can resolve sample morphologies through imaging, but also record a broadband VSFG spectrum at every pixel of the images. Being a second-order nonlinear optical technique, its selection rule enables the visualization of non-centrosymmetric or chiral self-assembled structures commonly found in biology, materials science, and bioengineering, among others. In this article, the audience will be guided through an inverted transmission design that allows for imaging unfixed samples. This work also showcases that VSFG microscopy can resolve chemical-specific geometric information of individual self-assembled sheets by combining it with a neural network function solver. Lastly, the images obtained under brightfield, SHG, and VSFG configurations of various samples briefly discuss the unique information revealed by VSFG imaging.

Yazar Spot Işığı: VSFG Mikroskobunun Mezoskopik Olarak Heterojen Kendinden Montajlı Yapıların İncelenme Potansiyelini Ortaya Çıkarmak 

A multimodal, rapid hyperspectral imaging framework was developed to obtain broadband vibrational sum-frequency generation (VSFG) images, along with brightfield, second harmonic generation (SHG) imaging modalities. Due to the infrared frequency being resonant with molecular vibrations, microscopic structural and mesoscopic morphology knowledge is revealed of symmetry-allowed samples.

Çizgi Taramalı Titreşimli Toplam Frekans Oluşturma Mikroskobu Kullanılarak Multimodal Doğrusal Olmayan Hiperspektral Kimyasal Görüntüleme

Vibrational sum-frequency generation (VSFG), a second-order nonlinear optical signal, has traditionally been used to study molecules at interfaces as a ...