Name: study of protein dynamics via neutron spin echo spectroscopy
Uploaded: 2022-04-13T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy at JoVE.com

استخدم هذا البحث موارد في مصدر النيوترون التشتت (BL-15 و BL-6 ومختبرات البيولوجيا والكيمياء) ، وهو مكتب تابع لوزارة الطاقة تابع لمرفق مستخدم العلوم الذي يديره مختبر أوك ريدج الوطني. استخدم هذا البحث أيضا موارد في مفاعل MLZ-FRM2 Garching (KWS-2 ، Phoenix-J-NSE) و JCNS1 في Forschungszentrum Jülich GmbH ، ألمانيا. يعترف المؤلف بالدكتور رالف بيهل والدكتور أندرياس ستادلر لمساعدتهما في النمذجة ومساهمتهما في كل من أبحاث بروتينات IgG و MBP ، والدكتور بيوتر أ. Żołnierczuk لدعم تقليل بيانات NSE ، والدكتور Changwoo Do للدعم مع قياسات SANS ، و Rhonda Moody و Dr. Kevin Weiss لدعم مختبر الكيمياء الحيوية SNS.

يميز العمل الحالي بروتينين: بروتين الأجسام المضادة البشرية العادية IgG ، و MBP المضطرب في جوهره. تم الحصول على الشكل المجفف بالتجميد للبروتينات من مصادر تجارية (انظر جدول المواد).
1. إعداد عينة البروتين
<ol><li>قم بإعداد فوسفات الصوديوم 50 mM + 0.1 M NaCl العازلة عن طري?...

يوفر التحليل الطيفي NSE رؤية فريدة ومفصلة لديناميكيات البروتينات ، والتي لا تستطيع التقنيات الطيفية الأخرى إنتاجها. توفر القياسات على نطاق زمني ممتد ملاحظات لكل من الانتشار الانتقالي والدوراني للبروتينات ، كما هو موضح هنا. تكشف الديناميكيات القطاعية والتذبذبات الداخلية الأخرى عن نفسها ع...

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Bovine MBP protein solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M1891</td>
			<td>lyophilized powder reconstituted in&#160; D2O</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D2O - heavy water</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Product No. 151882</td>
			<td>liquid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dionized water</td>
			<td>in house</td>
			<td>-</td>
			<td>for washing / cleanning cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DLS instrument</td>
			<td>Zetasizer Nano ZS, FZ-J&#252;lich</td>
			<td>-</td>
			<td>dynamic light scattering instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Elastic scattering standards</td>
			<td>SNS-NSE, ORNL</td>
			<td>-</td>
			<td>Al2O3&#160; and Graphite powders</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>65350-M</td>
			<td>70% ethanol for cleaning cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IgG protein solution</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>I4506</td>
			<td>lyophilized powder reconstituted in&#160; D2O</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KWS-2 instrument</td>
			<td>JCNS outstation at the MLZ,&#160; Garching, Germany</td>
			<td>-</td>
			<td>small angle neutron instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquinox dish detergent</td>
			<td>Alconox</td>
			<td>-</td>
			<td>Phosphate-free liquid lab glassware cleaner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Na2HPO4&#183;7H2O</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Product No.S9390</td>
			<td>disodium phosphate heptahydrate salt</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Product No.S9888</td>
			<td>sodium chloride salt</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaH2PO4&#183;H2O</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Product No. S9638</td>
			<td>monosodium phosphate monohydrate salt</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanodrop spectrophotometer</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>Catalog number:&#160;ND-2000</td>
			<td>NanoDrop 2000/2000c Spectrophotometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neutron alignment camera</td>
			<td>NeutronOptics, Grenoble</td>
			<td>NOG210222</td>
			<td>100 x 100 mm camera with Sony IMX249 CMOS sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm M - wax parafilm</td>
			<td>Bemis</td>
			<td>Parafilm M - 5259-04LC PM996</td>
			<td>all-purpose laboratory film in cardboard dispenser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phoenix-J-NSE Spectrometer</td>
			<td>JCNS outstation at the MLZ,&#160; Garching, Germany</td>
			<td>-</td>
			<td>neutron spectrometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SasView</td>
			<td>https://www.sasview.org/</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SAXSpace, Anton Paar instrument</td>
			<td>FZ-J&#252;lich</td>
			<td>-</td>
			<td>small angle x-ray instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slide-A-Lyzer dialysis membranes</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>88400-88405</td>
			<td>Slide-A-Lyzer mini dialysis devices tubes of 3.5 K MWCO</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SNS Remote Analysis Cluster</td>
			<td>Neutron Science Remote Analysis (sns.gov)</td>
			<td>https://analysis.sns.gov</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SNS-NSE spectrometer</td>
			<td>ORNL, Oak Ridge, TN, USA</td>
			<td>-</td>
			<td>neutron spectrometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile syringe filters</td>
			<td>VWR</td>
			<td>N.A. PN:28145-501</td>
			<td>0.2 &#181;m pore size filters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperature Forcing System (TFS)</td>
			<td>SP Scientific</td>
			<td>Part Number 100004055</td>
			<td>sample environment equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Urea -d4</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Product No. 176087</td>
			<td>deuterated Urea salt</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Viscometer</td>
			<td>FZ-J&#252;lich</td>
			<td>-</td>
			<td>falling ball viscometer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

study of protein dynamics via neutron spin echo spectroscopy

يرتبط نشاط ووظائف معظم بروتينات جسم الإنسان بالتغيرات التكوينية للمجالات الفرعية بأكملها داخل البنية البلورية للبروتين. تبني الهياكل البلورية الأساس لأي عملية حسابية تصف بنية أو ديناميكيات البروتين ، في معظم الأحيان مع قيود هندسية قوية. ومع ذلك ، فإن هذه القيود من البنية البلورية غير موجودة في المحلول. قد تختلف بنية البروتينات في المحلول عن البلورة بسبب إعادة ترتيب الحلقات أو المجالات الفرعية على مقياس بيكو إلى نانو ثانية (أي النظام الزمني الداخلي لديناميكيات البروتين). يصف هذا العمل كيف يمكن الوصول إلى الحركات البطيئة على نطاقات زمنية لعدة عشرات من النانو ثانية باستخدام تشتت النيوترونات. وعلى وجه الخصوص، فإن التوصيف الديناميكي لبروتينين بشريين رئيسيين، وهو بروتين مضطرب في جوهره يفتقر إلى بنية ثانوية محددة جيدا وبروتين كلاسيكي للأجسام المضادة، يتم تناوله بواسطة التحليل الطيفي للصدى النيوتروني المغزلي (NSE) جنبا إلى جنب مع مجموعة واسعة من طرق التوصيف المختبرية. تم تحقيق المزيد من الأفكار حول ديناميكيات مجال البروتين باستخدام النمذجة الرياضية لوصف بيانات النيوترون التجريبية وتحديد التقاطع بين حركات البروتين المنتشرة والداخلية مجتمعة. إن استخراج المساهمة الديناميكية الداخلية في وظيفة التشتت الوسيطة التي تم الحصول عليها من NSE ، بما في ذلك الجدول الزمني للحركات المختلفة ، يسمح بمزيد من الرؤية في الخصائص الميكانيكية للبروتينات المفردة ونعومة البروتينات في بيئتها الطبيعية تقريبا في محلول البروتين المزدحم.

تم إعادة تشكيل بروتين IgG من المصل البشري وبروتينات MBP البقرية بتركيزات عالية (~ 50 ملغ / مل) في المخازن المؤقتة D2O-base. نظرا لأن البروتينات كانت مذابة بتركيزات عالية ، فإن المحاليل التي تم الحصول عليها كانت محاليل بروتينات مزدحمة. تعاني الديناميكيات التي تم التحقيق فيها باستخدام NSE من الب?...

Watch this Scientific Journal Video about Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy at JoVE.com

Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy

يصف هذا البروتوكول طرقا للتحقيق في بنية وديناميات اثنين من البروتينات النموذجية التي لها دور مهم في صحة الإنسان. تجمع هذه التقنية بين التوصيف الفيزيائي الحيوي على مقاعد البدلاء والتحليل الطيفي لصدى الدوران النيوتروني للوصول إلى الديناميكيات في مقاييس الوقت والطول ذات الصلة بحركات البروتين بين المجالات.

دراسة ديناميكيات البروتين عبر التحليل الطيفي للصدى النيوتروني الدوار

Most human body proteins' activity and functionality are related to configurational changes of entire subdomains within the protein crystal structure. The ...

يقدم البروتوكول التالي كيفية إعداد تجربة صدى الدوران النيوتروني لقياس دالة التشتت الوسيطة والتحقيق في ديناميكيات البروتينات في المحلول. الميزة الرئيسية للتحليل الطيفي للصدى النيوتروني Spin هي قدرته على النظر في إعادة ترتيب مجالات البروتين والمجالات الفرعية على مقياس بيكو إلى نانو ثانية ؛ وهو نطاق الحركات البطيئة في البروتينات في بيئتها الطبيعية تقريبا ، وفي محلول البروتين المزدحم. كما أن صدى الدوران النيوتروني حساس أيضا للتكوين النظيري ، مما يسمح بإجراء دراسات محددة للغاية ومستهدفة باستخدام مطابقة التباين.تعد الرؤى حول ديناميكيات مجال البروتين جزءا رئيسيا من الأبحاث الفيزيائية الحيوية في المهمة الصعبة المستمرة لنقل حركات مجال البروتينات بوظائفها البيولوجية. يمكن تطبيق البروتوكول المعروض هنا بشكل عام على أي قياس صدى دوران نيوتروني يتم إجراؤه في مطياف SNS-NSE ، بغض النظر عن اختيارك للعينات ، إذا بقي المرء داخل عالم مواد المادة اللينة. لإعداد التجربة ، ابدأ بتحديد سمك تحميل عينة الخلية ، بناء على تركيز عينة البروتين ، ودرجة الحرارة اللازمة للقياس ، وكمية المحلول المتاح.نظف الخلية باستخدام منظفات الأطباق الخالية من الفوسفات والماء منزوع الأيونات و 70٪ من الديثانول. جفف الخلية في فرن الحمل الحراري. قم بتحميل أربعة ملليلترات من محلول البروتين في الخلية ، وأغلقها بأغطية.استخدم فيلم الشمع أو أي مادة مانعة للتسرب لإغلاق خلايا العينة. قم بتحميل أربعة ملليلترات من المخزن المؤقت لغسيل الكلى في حاوية مماثلة لعينة البروتين وختمها. نقل العينات إلى خط الحزمة.أغلق الغالق، وأدخل منطقة كهف حاوية مقياس الطيف. قم بتركيب خلية العينة على حامل عينة الألومنيوم عن طريق تشديد البراغي وألواح الانتظار. قم بتركيب عينة الجرافيت وعينة مسحوق أكسيد الألومنيوم المحملة في حاوية مماثلة لعينة البروتين.ضع نفس الحامل عن طريق تحريكه برفق في علبة نظام فرض درجة الحرارة. أغلق غطاء نظام فرض درجة الحرارة ، واضبط درجة الحرارة على القيمة المطلوبة من خلال الوصول إلى الشاشة التفاعلية لنظام فرض درجة الحرارة. قم بتركيب الكاميرا النيوترونية لمحاذاة العينات مع الحزمة.لجمع بيانات التحليل الطيفي للصدى النيوتروني الدوار، قم بمحاذاة العينة في الحزمة النيوترونية باستخدام الكاميرا النيوترونية، وفتحات العينة الأربعة المستقلة. افتح مصدر النيوترون التباعدي ، وبرنامج جمع بيانات التحليل الطيفي للصدى النيوتروني ، وجمع إحصائيات العينات عن طريق تشغيل عمليات مسح الانكسار لزوايا التشتت والطول الموجي المطلوبين. قم بإعداد معلمات القياس استنادا إلى الإحصاءات التي تم جمعها لكل عينة عن طريق تحرير وحدات ماكرو القياس التي يقدمها عالم الأدوات المساعدة.ابدأ المسح الضوئي عن طريق كتابة اسم البروتوكول في موجه الأوامر والحصول على أصداء للعينة. قم بتسجيل الدخول إلى مجموعة التحليل عن بعد للعلوم النيوترونية باستخدام بيانات اعتماد مستخدم ORNL واضغط على زر بدء الجلسة. في دليل المستخدم، افتح نافذة طرفية واكتب أمر إعداد البرنامج.بعد ذلك، اكتب الأمر البيئة. قم بإنشاء مجلد لتقليل البيانات في الدليل الرئيسي وانسخ البرامج النصية ووحدات الماكرو المتوفرة من الدليل المشترك. قم بتحرير ماكرو التخفيض المقدم وإعادة تسميته وحفظه وفقا لذلك.اكتب drspine"في موجه الأوامر واضغط على Enter لبدء بيئة تقليل البرامج. اكتب اسم ماكرو الاختزال في موجه الأوامر داخل بيئة البرامج، ثم اضغط على Enter. قم بتحرير البرنامج النصي Python الذي يوفره عالم الأدوات المساعدة مع أسماء بيانات الملف المخفضة.قم بتحرير الوظيفة لتناسب من المكتبة المتوفرة. اكتب اسم البرنامج النصي الذي تم تحريره في موجه الأوامر، ثم اضغط على Enter لقراءة بيانات NSE المخفضة وملاءمتها ورسمها. تظهر دالة التشتت الوسيطة التي تم قياسها بواسطة NSE لبروتينات IgG و MBP انحرافا واضحا عن عملية استرخاء بسيطة تشبه الانتشار على مقياس زمني قصير مدته أربع سنوات ، مما يشير إلى إمكانية الوصول إلى الديناميكيات الداخلية للبروتين بواسطة NSE ، والحاجة إلى نموذج أكثر تعقيدا لوصف العمليات الديناميكية المرصودة.كانت نتائج حسابات دالة التشتت الوسيطة التي تم تركيبها بواسطة النمذجة الذرية لكلا البروتينين باستخدام النماذج التي طورتها متفقة بشكل ممتاز مع بيانات NSE التجريبية. أثبتت النتائج أن الديناميكيات الأبطأ التي لوحظت في أوقات الفراء الأطول يمكن أن تعزى إلى عمليات الانتشار الانتقالية والدورانية الشاملة ، في حين أن الديناميكيات التي لوحظت في المقاييس الزمنية القصيرة يمكن أن تعزى إلى ديناميكيات مجالات البروتين. أحد الأشياء المهمة التي يجب تذكرها هو الحاجة إلى عينات جيدة الإعداد ونظيفة لقياسات NSE.تحتوي العينة الجيدة ل Spin Echo على نسبة قلب أعلى من ثلاثة ، وهي النسبة بين التشتت المتماسك وغير المتماسك للعينة. أيضا أثناء تحضير العينة وتحميل العينات في خلايا NSE ، يجب الحفاظ على محلول العينة آمنا وخاليا من أي تلوث كيميائي أو بيولوجي متقاطع. ولأسباب تتعلق بالسلامة، لا ينبغي محاولة الدخول إلى حاوية المطياف إلا بعد إغلاق الغالق، ويسمح بنصف ساعة إضافية للتبريد الإشعاعي للحاوية.يوصى باستخدام تشتت النيوترون صغير الزاوية لتقييم شكل وبنية البروتينات في محلول مركز. يمكن القيام بذلك قبل أو بالتوازي مع تجربة NSE. توفر الطرق الإضافية مثل تشتت الضوء الديناميكي وقياسات اللزوجة معلومات حول الانتشار الانتقالي والتفاعل الهيدروديناميكي داخل محلول البروتين المركز ، ويوصى بها أيضا.

Research

JoVE Journal

Engineering

Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy

Echo Particle Image Velocimetry

صدى الجسيمات Velocimetry صورة

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 ...

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

زاوية التحليل الطيفي إصدار ضوئي في حل درجات الحرارة المنخفضة جدا

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

التدرج صدى الذاكرة الكم في الحارة بخار الذرية

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

قياس المواد المجهرية تحت التدفق باستخدام الطائرة 1-2 التدفق الصغيرة زاوية تشتت النيوترونات

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

باستخدام النيوترون سبين صدى حل انتشار الرعي للتحقيق في مواد الخلايا الشمسية العضوية

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

سريع التصوير وتقنيات لدراسة تأثير انخفاض ديناميات السوائل غير النيوتونية

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Proton Transfer and Protein Conformation Dynamics in Photosensitive Proteins by Time-resolved Step-scan Fourier-transform Infrared Spectroscopy

نقل بروتون والبروتين التشكل حيوية في وقت حساس البروتينات عن طريق حل خطوة المسح الضوئي فورييه، تحويل الأشعة تحت الحمراء الطيفي

Monitoring the dynamics of protonation and protein backbone conformation changes during the function of a protein is an essential step towards ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

في الموقع النيوتروني مسحوق حيود عن طريق تفصيل بطاريات ليثيوم أيون

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light Actuators ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Â Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

المحركات الخفيفة ذات شكل حر - تصنيع ومراقبة يشتغل في مقياس المجهري

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

إعادة التركيب حيوية في الأغشية الرقيقة المواد الضوئية عن طريق وحلها الوقت ميكروويف التوصيل

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...