Neutroner får en bredere vinkel på DNA og RNA for at fremme 3-D-modeller

Forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland bruger neutroner ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL) til at indfange ny information om DNA- og RNA-molekyler og muliggøre mere nøjagtige computersimuleringer af, hvordan de interagerer med alt fra proteiner til vira. Løsning af 3D-strukturerne af kroppens fundamentale genetiske materialer i opløsning vil spille en afgørende rolle i lægemiddelopdagelse og -udvikling til kritiske medicinske behandlinger.

"En bedre forståelse af både strukturen og den konformationelle dynamik af DNA og RNA kunne hjælpe os med at besvare spørgsmål om, hvorfor og hvordan medicin virker og hjælpe os med at lokalisere, hvor de vigtigste interaktioner finder sted på atomniveau, " sagde NIST's Alexander Grishaev, som ledede neutronspredningsforskning udført ved High Flux Isotope Reactor (HFIR), en Department of Energy User Facility placeret på ORNL.

Holdet brugte HFIR's Bio-SANS-instrument til at udføre neutronspredning med lille til vidvinkel, en teknik, der ikke tidligere er udført på DNA- og RNA-prøver i opløsning på grund af begrænsede eksperimentelle muligheder.

"At fange et bredere udvalg af vinkler for biomolekyler i opløsning ved hjælp af neutronspredning har ikke været muligt indtil for nylig, " sagde Grishaev, "Og Oak Ridge er et af de eneste steder, du kan udføre denne form for arbejde."

Udvidelse af mulighederne for løsningsneutronspredning er en del af en fremskridt indsats mod en mere integreret tilgang i strukturel biologi, der kombinerer krystalstudier, løsningsmetoder, og andre eksperimentelle og beregningsmæssige teknikker til at forbedre forståelsen af ​​DNA- og proteinstrukturer.

Computersimuleringer af biomolekyler er blevet velinformeret af røntgenkrystallografi. Den førende teknik bruger røntgenstråler til at bestemme arrangementet af atomer i en prøve, der er blevet "krystalliseret" til analyse. For at få data af høj kvalitet med denne teknik, prøver af biologiske materialer, der typisk er fortyndet i opløsning, koncentreres og størknes til krystaller med en ensartet struktur.

Røntgenkrystallografi fungerer særligt godt til stive biomolekyler med mere eller mindre faste strukturer, men fleksible biomolekyler som DNA og RNA, der antager flere "konformationer" eller former, er mindre egnede til krystallisation.

Inde i levende celler, DNA og RNA kan bevæge sig, skifte form, og reagere forskelligt på miljøpåvirkninger såsom pH eller temperatur, ændringer, der er vigtige at repræsentere, men svære at karakterisere.

"Krystallisation pakker molekylerne tæt ind, som begrænser deres bevægelser og maskerer nogle af de strukturelle oplysninger, vi ønsker at se, " sagde Grishaev.

Adskillige teknikker er med succes blevet anvendt til DNA og RNA i opløsning, herunder opløsningsrøntgenspredning og kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, som begge giver vigtige data. Endnu, Der eksisterer betydelige uoverensstemmelser mellem de eksperimentelle spredningsdata og de bedst tilgængelige krystalstrukturer af DNA og RNA.

Holdet henvendte sig til neutroner for at finde ud af hvorfor.

"Neutroner interagerer med biomolekyler forskelligt, så vi kan bruge dem som en uafhængig datakilde til enten at validere eller bedre definere de modeller, vi har, " sagde Marylands Roderico Acevedo.

Mens røntgenstråler fungerer godt til at definere tunge atomer, såsom kulstof, ilt, og fosfor, neutroner er ideelle til at undersøge lettere brintatomer, der forbinder DNA-strenge, for eksempel. Derudover neutroner tilbyder en fordel ved sondering af biomolekyler, fordi de er ikke-destruktive og ikke beskadiger dem.

Ved at bruge Bio-SANS instrumentet på HFIR, forskere var i stand til at indsamle strukturel information i opløsning, der ikke var let tilgængelig ved andre eksperimentelle teknikker.

Eksperimentet krævede både en høj neutronflux og vidvinkeldetektorer for at indsamle spredningsmønstre med højere præcision for at afsløre strukturerne på atomniveau af DNA og RNA i opløsning.

At bruge neutroner til at indsamle strukturel information om biomolekyler er ingen almindelig bedrift, siger Grishaev. Små biomolekylære prøver i fortyndede opløsninger producerer ofte støjende spredningsmønstre, gør data svære at analysere.

"HFIR's Bio-SANS er et af få neutroninstrumenter i verden med evnen til at fange små og brede spredningsvinkler samtidigt, kombinerer både globale og lokale detaljer, " sagde Bio-SANS instrument videnskabsmand Volker Urban.

"Vi var i stand til at få nogle af neutronspredningsdataene med den højeste præcision, der nogensinde er indsamlet i vidvinkler, ikke kun på DNA og RNA, men på biomolekyler generelt, " sagde Grishaev.

Ved at tilføje den nye information indsamlet via opløsningsneutronspredning til andre data fra opløsningsrøntgenspredning og NMR-spektroskopi, NIST-Maryland-gruppen håber at få et mere omfattende billede af DNA- og RNA-strukturer, samt at udvide mulighederne for at definere molekylære strukturer med neutronbaserede teknikker.