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

В этом исследовании использовались ресурсы в Spallation Neutron Source (BL-15, BL-6, Biology and Chemistry labs), Офисе научного пользовательского центра Министерства энергетики США, управляемом Национальной лабораторией Оук-Ридж. В этом исследовании также использовались ресурсы реактора MLZ-FRM2 Garching (KWS-2, Phoenix-J-NSE) и JCNS1 в Forschungszentrum Jülich GmbH, Германия. Автор благодарит д-ра Ральфа Биля и д-ра Андреаса Штадлера за их помощь в моделировании и их вклад в исследования белков IgG и MBP, д-ра Петра А. Жолнерчука за поддержку сокращения данных NSE, д-ра Чангву До за поддержку измерений SANS и Ронду и д-ра Кевина Вайса за поддержку лаборатории биохимии SNS.

Настоящая работа характеризует два белка: обычный белок антител человека IgG и внутренне неупорядоченный MBP. Лиофилизированную форму белков получали из коммерческих источников (см. Таблицу материалов).
1. Пробоподготовка белка
<ol><li>Приготовьте буфер 50 м...

Спектроскопия NSE дает уникальное и подробное представление о динамике белков, которое другие спектроскопические методы не могут дать. Измерения в расширенном масштабе времени обеспечивают наблюдения как за поступательной, так и за ротационной диффузией белков, как представлено здесь...

<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

Активность и функциональность большинства белков человеческого организма связаны с конфигурационными изменениями целых поддоменов в кристаллической структуре белка. Кристаллические структуры создают основу для любого расчета, который описывает структуру или динамику белка, в большинстве случаев с сильными геометрическими ограничениями. Однако эти ограничения от кристаллической структуры отсутствуют в растворе. Структура белков в растворе может отличаться от кристаллической из-за перестановок петель или поддоменов на шкале времени пико к наносекунде (т.е. временному режиму внутренней динамики белка). Настоящая работа описывает, как медленные движения на временных масштабах в несколько десятков наносекунд могут быть доступны с помощью рассеяния нейтронов. В частности, динамическая характеристика двух основных человеческих белков, внутренне неупорядоченного белка, который не имеет четко определенной вторичной структуры и классического белка антитела, решается с помощью нейтронной спиновой эхо-спектроскопии (NSE) в сочетании с широким спектром лабораторных методов характеристики. Дальнейшее понимание динамики белкового домена было достигнуто с использованием математического моделирования для описания экспериментальных данных нейтронов и определения пересечения между комбинированными диффузными и внутренними движениями белка. Извлечение внутреннего динамического вклада в промежуточную функцию рассеяния, полученного из NSE, включая временную шкалу различных движений, позволяет дополнительно увидеть механические свойства отдельных белков и мягкость белков в их почти естественной среде в переполненном белковом растворе.

Белок IgG из человеческой сыворотки и бычьих белков MBP был восстановлен в высоких концентрациях (~ 50 мг / мл) в буферахD2O-основания. Поскольку белки растворяли в высоких концентрациях, полученные растворы представляли собой переполненные белковые растворы. Динамика, исследованная с ...

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

Настоящий протокол описывает методы исследования структуры и динамики двух модельных белков, которые играют важную роль в здоровье человека. Метод сочетает в себе настольную биофизическую характеристику с нейтронной спиновой эхо-спектроскопией для доступа к динамике во временных и длинных масштабах, имеющих отношение к междоменным движениям белка.

Исследование динамики белка с помощью нейтронной спиновой эхо-спектроскопии

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

В следующем протоколе представлено, как настроить эксперимент Neutron Spin Echo для измерения промежуточной функции рассеяния и исследования динамики белков в растворе. Основным преимуществом нейтронной спиновой эхо-спектроскопии является ее способность смотреть на перегруппировку белковых доменов и субдоменов в масштабе времени пико до наносекунд; которая представляет собой диапазон замедленных движений в белках в их почти естественной среде и в переполненном белковом растворе. Нейтронное спиновое эхо также чувствительно к изотопной конфигурации, что позволяет проводить очень специфические и целенаправленные исследования с использованием контрастного сопоставления.Понимание динамики белковых доменов является важной частью биофизических исследований в текущей сложной задаче по передаче движений белков с их биологической функциональностью. Протокол, представленный здесь, может быть применен к любому измерению нейтронного спинового эха, выполняемому на спектрометре SNS-NSE, независимо от вашего выбора образцов, если один из них остается в области материалов мягкого вещества. Чтобы установить эксперимент, начните с выбора толщины загрузки образца клетки, основанной на концентрации образца белка, температуре, необходимой для измерения, и количестве доступного раствора.Очистите ячейку бесфосфатным моющим средством для посуды, деионизированной водой и 70% диэтанолом. Высушите ячейку в конвекционной печи. Загрузите четыре миллилитра белкового раствора в клетку и закройте крышками.Используйте восковую пленку или любой герметик для герметизации клеток образца. Загрузите четыре миллилитра диализного буфера в тот же контейнер, что и образец белка и уплотнение. Транспортировка образцов на лучевую линию.Закройте затвор и войдите в пещерную зону корпуса спектрометра. Установите ячейку образца на алюминиевый держатель образца, затянув винты и удерживающие пластины. Установите образец графита и образц порошка оксида алюминия, загруженный в контейнер, идентичный образцу белка.Поместите тот же держатель, осторожно вставив его в банку системы температурного воздействия. Закройте крышку системы температурного воздействия и установите температуру на нужное значение, обратившись к интерактивному экрану системы температурного воздействия. Установите нейтронную камеру для выравнивания образцов по пучку.Чтобы собрать данные нейтронной спиновой эхо-спектроскопии, выровняйте образец в пучке нейтронов с помощью нейтронной камеры и четырех независимых апертур образцов. Откройте spallation Neutron Source, программное обеспечение для сбора данных нейтронной спиновой эхо-спектроскопии и соберите статистику выборки, выполнив дефракционное сканирование для требуемых углов рассеяния и длины волны. Настройте параметры измерения на основе статистики, собранной для каждой выборки, путем редактирования макросов измерения, предоставленных вспомогательным специалистом по приборам.Начните сканирование, введя имя протокола в командной строке и получив эхо для образца. Войдите в кластер удаленного анализа Neutron Sciences с учетными данными пользователя ORNL и нажмите кнопку запуска сеанса. В каталоге пользователя откройте окно терминала и введите команду настройки программного обеспечения.Затем введите команду окружения. Создайте папку для сокращения данных в домашнем каталоге и скопируйте предоставленные сценарии и макросы из общего каталога. Отредактируйте, переименуйте и сохраните предоставленный макрос сокращения соответствующим образом.Введите drspine" в командной строке и нажмите клавишу ВВОД, чтобы запустить среду сокращения программного обеспечения. Введите имя макроса уменьшения в командной строке в программной среде и нажмите клавишу ВВОД. Отредактируйте сценарий Python, предоставленный вспомогательным специалистом по инструментам, с именами данных уменьшенного файла.Отредактируйте функцию в соответствии с предоставленной библиотекой. Введите имя редактируемого сценария в командной строке и нажмите клавишу ВВОД, чтобы прочитать, подогнать и построить уменьшенные данные NSE. Промежуточная функция рассеяния, измеренная NSE для белков IgG и MBP, показывает явное отклонение от простого диффузионно-подобного релаксационного процесса на короткой четырехлетней шкале времени, что указывает на доступность внутренней динамики белка по NSE и необходимость более сложной модели для описания наблюдаемых динамических процессов.Результаты расчетов промежуточной функции рассеяния, выполненных атомарным моделированием обоих белков с использованием разработанных моделей, прекрасно согласовались с экспериментальными данными NSE. Результаты показали, что более медленная динамика, наблюдаемая в более длительное время скорняка, может быть отнесена к общим процессам трансляционной и ротационной диффузии, в то время как динамика, наблюдаемая в коротких временных масштабах, может быть отнесена к динамике белковых доменов. Важно помнить о необходимости хорошо подготовленных и чистых образцов для измерений NSE.Хороший образец для Spin Echo имеет коэффициент переворачивания выше трех, который является соотношением между когерентным и некогерентным рассеянием образца. Кроме того, во время подготовки образцов и загрузки образцов в клетки NSE раствор образца должен храниться в безопасности и без каких-либо химических или биологических перекрестных загрязнений. По соображениям безопасности вход в корпус спектрометра следует предпринимать только после закрытия затвора, и для радиационного охлаждения корпуса было отведено дополнительное получасовое время.Малоугловое рассеяние нейтронов рекомендуется для оценки формы и структуры белков в концентрированном растворе. Это может быть сделано до или параллельно с экспериментом NSE. Дополнительные методы, такие как динамическое рассеяние света и измерения вязкости, предоставляют информацию о поступательной диффузии и гидродинамическом взаимодействии в концентрированном белковом растворе, а также рекомендуются.

Research

JoVE Journal

Engineering

Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy

Echo Particle Image Velocimetry

Эхо Velocimetry Particle Image

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

Фотоэмиссии с угловым разрешением спектроскопии при сверхнизких температурах

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

Градиент Эхо Квантовая память в теплый атомный пар

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

Измерение микроструктуры материала в потоке Использование 1-2 самолета проточные небольшой угол рассеяния нейтронов

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

Использование нейтронного спина Эхо Решенные выпаса заболеваемости рассеяния для расследования органических материалов солнечных батарей

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

Быстрый метод визуализации по изучению падения Impact Динамика неньютоновских жидкостей

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

Протон Передача и конформации белка Динамика в светочувствительных белков с временным разрешением Шаг сканирования ИК-Фурье спектроскопии

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

В Ситу нейтронной порошковой дифракции Использование пользовательских производства литий-ионных батарей

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

Свободной формы Легкие Приводы - изготовление и контроль Срабатывание в микроскопическом масштабе

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

Рекомбинация Динамика в тонкопленочных фотоэлектрических материалов с помощью времяразрешенные СВЧ проводимости

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