Слайд 1Нейтронная кристаллография (НК)
Слайд 2Нейтрон
Тяжелая элементарная частица, не имеющая электрического заряда
Основной компонент атомных
ядер (вместе с протоном)
Участвует в гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом
элементарных взаимодействиях
Обладает магнитным моментом
Слайд 3Открытие нейтрона
1930 год – В. Боте и Г. Беккер –
α-частицы, вылетающие при распаде полония, воздействуя на бериллий, вызывают излучение
неизвестной природы с сильной проникающей способностью
Слайд 4Открытие нейтрона
1930 год – В. Боте и Г. Беккер –
α-частицы, вылетающие при распаде полония, воздействуя на бериллий, вызывают излучение
неизвестной природы с сильной проникающей способностью
1932 год – Джеймс Чедвик – на пути излучения поместили парафиновый блок. Было обнаружено, что излучение выбивает из парафина протоны. Таким образом обнаружил нейтроны (Нобелевская премия 1935 года)
Слайд 5Открытие нейтрона
1930 год – В. Боте и Г. Беккер –
α-частицы, вылетающие при распаде полония, воздействуя на бериллий, вызывают излучение
неизвестной природы с сильной проникающей способностью
1932 год – Джеймс Чедвик – на пути излучения поместили парафиновый блок. Было обнаружено, что излучение выбивает из парафина протоны. Таким образом обнаружил нейтроны (Нобелевская премия 1935 года)
Слайд 6Нейтрон
Энергетический спектр нейтронов:
По «скорости»:
Релятивистские нейтроны, с энергией более 100 МэВ;
Быстрые нейтроны,
с энергией 1 МэВ – 100 МэВ
Промежуточные нейтроны, с энергией
10 кэВ – 1 МэВ
Резонансные нейтроны, с энергией 1 эВ – 10 кэВ
Медленные нейтроны, общее название нейтронов с энергией менее 1 эВ
По «Температуре» (для медленных):
Надтепловые нейтроны, с энергией от 0,025 до 1 эВ
Горячие нейтроны, с энергией порядка 0,2 эВ
Тепловые нейтроны, с энергией примерно 0,025 эВ
Холодные нейтроны, с энергией от 5·10−5 эВ до 0,025 эВ
Очень холодные нейтроны, с энергией от 2·10−7 эВ до 5·10−5 эВ
Ультрахолодные нейтроны, с энергией менее 2·10−7 эВ
Слайд 7Нейтрон
Энергетический спектр нейтронов:
По «скорости»:
Релятивистские нейтроны, с энергией более 100 МэВ;
Быстрые нейтроны,
с энергией 1 МэВ – 100 МэВ
Промежуточные нейтроны, с энергией
10 кэВ – 1 МэВ
Резонансные нейтроны, с энергией 1 эВ – 10 кэВ
Медленные нейтроны, общее название нейтронов с энергией менее 1 эВ
По «Температуре» (для медленных):
Надтепловые нейтроны, с энергией от 0,025 до 1 эВ
Горячие нейтроны, с энергией порядка 0,2 эВ
Тепловые нейтроны, с энергией примерно 0,025 эВ
Холодные нейтроны, с энергией от 5·10−5 эВ до 0,025 эВ
Очень холодные нейтроны, с энергией от 2·10−7 эВ до 5·10−5 эВ
Ультрахолодные нейтроны, с энергией менее 2·10−7 эВ
Слайд 8Источники нейтронов для белковой кристаллографии
Энергия, температура и длина волны нейтронов,
производимых холодными, тепловыми и горячими источниками
Слайд 9Взаимодействие с атомом
Упругое рассеяние: суммарная кинетическая энергия системы частиц не
изменяется, не происходит изменения внутреннего состояния частиц или превращения одних
частиц в другие
Неупругое рассеяние: столкновение частиц (включая столкновения с фотонами), сопровождается изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц
Атомный фомафактор для нейтронов можно считать нулевым (в отличии от атомного формфактора для рентгеновских лучей) => большие углы рассеяния
Слайд 10Рассеяние
Где:
I – diffraction intensity
I0 – incident neutron intensity
F – structure
factor
V – the volume of the sample specimen
A – fractional
detector area subtended at the specimen
v0 – volume of the unit cell
λ – the wavelength
Слайд 11Рассеяние
Blakeley, M. P. Neutron macromolecular crystallography. Crystallogr. Rev. 15, 157–218
(2009)
Слайд 12Рассеяние
Нейтронная кристаллография:
Н виден на разрешении около 1,5 (2) Å
D виден
на разрешении около 2,5 Å
Рентгеноструктурный анализ даже на субатомном разрешении
(<1% PDB файлов) с трудом обнаруживает атомы Н
!!! Некогерентное рассеяние от атомов водорода (протия) является основным источником шума в экспериментах по нейтронной дифракции
Blakeley, M. P. Neutron macromolecular crystallography. Crystallogr. Rev. 15, 157–218 (2009)
Слайд 13Что позволяет НК
(что не всегда позволяет рентгеноструктурный анализ)
Определение протонирования
Слайд 14Что позволяет НК
(что не всегда позволяет рентгеноструктурный анализ)
Определение протонирования
Определение ориентации
молекул воды
Слайд 15Что позволяет НК
(что не всегда позволяет рентгеноструктурный анализ)
Определение протонирования
Определение ориентации
молекул воды
Определение ориентации гидроксильных групп
Слайд 16Что позволяет НК
(что не всегда позволяет рентгеноструктурный анализ)
Определение протонирования
Определение ориентации
молекул воды
Определение ориентации гидроксильных групп
Определение ориентации метильных групп
Слайд 17Что позволяет НК
(что не всегда позволяет рентгеноструктурный анализ)
Определение протонирования
Определение ориентации
молекул воды
Определение ориентации гидроксильных групп
Определение ориентации метильных групп
Визуализация
водородных связей
Слайд 18Что позволяет НК
(что не всегда позволяет рентгеноструктурный анализ)
Определение протонирования
Определение ориентации
молекул воды
Определение ориентации гидроксильных групп
Определение ориентации метильных групп
Визуализация
водородных связей
Изучение доступа растворителя
Слайд 19Что позволяет НК
(что не всегда позволяет рентгеноструктурный анализ)
Определение протонирования
Определение ориентации
молекул воды
Определение ориентации гидроксильных групп
Определение ориентации метильных групп
Визуализация
водородных связей
Изучение доступа растворителя
Нейтронный луч не вызывает разрушения кристалла, поэтому не требуется заморозка и объект можно в дальнейшем использовать для рентгеновской кристаллографии
Супер Бонус!
Слайд 20НО!
Источники рентгена
Источники нейтронов
Слайд 21НО!
Необходимы ОГРОМНЫЕ кристаллы (в лучшем случае по несколько сотен микрон
в диаметре)
Слайд 22НО!
Необходимы ОГРОМНЫЕ кристаллы (в лучшем случае по несколько сотен микрон
в диаметре)
Эксперименты идут по несколько часов, дней или даже месяцев!
Слайд 24Видим атомы водорода
Разрешение 1,5 Å
т.к. у водорода отрицательное рассеяние, то
разностная плотность красная
(a) Фенилаланин (b) Тирозин (c) Триптофан
K. Kurihara et
all. Proc Natl Acad Sci U S A 2004, 101, 11215
Молодцы, ребята!
Слайд 25Видим ориентацию молекул воды
Chatake, T., Ostermann, A., Kurihara, K., Parak,
F. G. & Niimura, N. Hydration in proteins observed by
high-resolution neutron crystallography. Proteins Struct. Funct. Bioinforma. 50, 516–523 (2003)
Слайд 26Еще несколько примеров
2Fo-Fc карта ядерной плотности – синяя
Fo-Fc отрицательная карта
ядерной плотности – зеленая
(a) 2.2 Å
(комнатная температура). Один N гистидина протонирован, другой координирован с марганцем
(b) 2.2 Å (комнатная температура). Глутамат заряжен (депротонирован) Позиции и ориентации молекул воды хорошо видно
(c) 1.7 Å (15 K). Ориентация ОD-группы хорошо видна. На этом разрешении видно даже незамещенные дейтерием водороды
(d) 1.65 Å (комнатная температура). Ориентация OD-группы и CD3 хорошо видно
Blakeley, M. P. Neutron macromolecular crystallography. Crystallogr. Rev. 15, 157–218 (2009)
Слайд 27Нейтронная криокристаллогрфия
Зачем дополнительные трудности с заморозкой, если в капиллярах и
так все замечательно?
Слайд 28Нейтронная криокристаллогрфия
Некоторые интермедиаты могут быть «пойманы» в низкотемпературных условиях и
поддерживаться в таком виде на протяжении всего времени сбора дифракционных
данных
Слайд 29Нейтронная криокристаллогрфия
Некоторые интермедиаты могут быть «пойманы» в низкотемпературных условиях и
поддерживаться в таком виде на протяжении всего времени сбора дифракционных
данных
«Пойманное»
интермедиатное состояние
фермента
Слайд 30Нейтронная криокристаллогрфия
Некоторые интермедиаты могут быть «пойманы» в низкотемпературных условиях и
поддерживаться в таком виде на протяжении всего времени сбора дифракционных
данных
Некоторые нестабильные белки могут «дожить» до конца эксперимента только в криогенных условиях
«Пойманное»
интермедиатное состояние
фермента
Стабилизированный
белок
Слайд 31Нейтронная криокристаллогрфия
Некоторые интермедиаты могут быть «пойманы» в низкотемпературных условиях и
поддерживаться в таком виде на протяжении всего времени сбора дифракционных
данных
Некоторые нестабильные белки могут «дожить» до конца эксперимента только в криогенных условиях
Однако, не забываем о том, что 1) замороженная структура не нативна; 2) вода может формировать кристаллический лед (резкое охлаждение ниже 136 К (температура стеклования) – аморфный лёд)
«Пойманное»
интермедиатное состояние
фермента
Стабилизированный
белок
Слайд 32Протонирование в интермедиате
Kwon, H. et al. Direct visualization of a
Fe(IV)–OH intermediate in a heme enzyme. Nat. Commun. 7, (2016).
Ferryl
intermediate in Compound II of a heme peroxidase (белок дейтерирован)
А. Ядерная плотность, 2.2 Å разрешение
Б. Электронная плотность 1.8 Å разрешение
A
Б
Определили расстояние между О и Fe и тип связи (Fe-OH, а не Fe=O)
Слайд 33Протонирование в интермедиате
Kwon, H. et al. Direct visualization of a
Fe(IV)–OH intermediate in a heme enzyme. Nat. Commun. 7, (2016).
Ferryl
intermediate in Compound II of a heme peroxidase (белок дейтерирован)
А. Ядерная плотность, 2.2 Å разрешение
Б. Электронная плотность 1.8 Å разрешение
A
Б
Определили расстояние между О и Fe и тип связи (Fe-OH, а не Fe=O)
Слайд 34Детекторы
Нейтроны – незаряженные частицы, и поэтому они не вызывают прямую
ионизацию. Однако, при их взаимодействии с веществом образуются детектируемые частицы
(например, α-частицы, электроны, фотоны)
Некоторые изотопы имеют высокое эффективное сечение (3He, 6Li, 10B, 233U, 235U, 237Np, and 239Pu) и могут быть использованы для детекции нейтронов
Способы регистрации нейтронов:
реакция с бором-10, сопровождающаяся альфа-излучением;
реакция с гелием-3, сопровождающаяся испусканием протона;
Слайд 35Детекторы
Нейтроны – незаряженные частицы, и поэтому они не вызывают прямую
ионизацию. Однако, при их взаимодействии с веществом образуются детектируемые частицы
(например, α-частицы, электроны, фотоны)
Некоторые изотопы имеют высокое эффективное сечение (3He, 6Li, 10B, 233U, 235U, 237Np, and 239Pu) и могут быть использованы для детекции нейтронов
Способы регистрации нейтронов:
реакция с бором-10, сопровождающаяся альфа-излучением;
реакция с гелием-3, сопровождающаяся испусканием протона;
Слайд 36Детекторы
3. Нейтрон-чувствительные пластины (neutron-sensitive imaging plate = NIP):
Фотостимулируемый люминесцентный
материал (BaFBr легированный Eu2+ ионами)
Нейтронный сцинтиллятора (Гадолиния = Gd)
Гадолиний обладает
наивысшей способностью к захвату нейтронов из всех стабильных элементов. Его сечение равно 49 000 барн, у 157Gd 254 000
Фотоцентры
Слайд 37Детекторы
Детекторы для нейтронной кристаллографии сконструированы для сбора данных с как
можно большего угла рассеивания
В исследованиях в которых используют нейтроны, рассеивание
высокого разрешения может происходить даже в обратном направлении. В таких установках детекторы имеют цилиндрическую или сферическую форму для одновременного считывания и прямого и обратного рассеяния
Ewald: an extended wide-angle Laue diffractometer
for the second target station of the Spallation Neutron Source
Leighton Coates* and Lee Robertson
Коллиматор используется вместо фокусирующих линз (пропускает только нейтроны, летящие в правильном направлении)
Слайд 38Виды нейтронной кристаллографии
1. НК с использование монохроматического излучения:
Аналог классического РСА
Использовали
горячие нейтроны
2. Quasi-Laue:
Используется полихроматический луч (но не весь спектр длин
волн)
Кристалл неподвижен
Увеличение интенсивности излучения (можно использовать небольшие кристаллы)
Высокий фоновый шум
Ограниченный диапазон длин волн
Слайд 39Виды нейтронной кристаллографии
3.TOF (time-of-flight) Laue:
Источник нейтронов выдает дискретные импульсы
Известны время
генерации нейтронного пучка и длинна пути нейтронов. Длина волны может
быть измерена по времени полета нейтронов => можем разделить общую дифракцию на монохроматические срезки
Данные сортируют и группируют в соответствии с длинами волн, что позволяет одновременно и использовать более мощное полихроматическое излучение, как в Quasi-Laue, и улучшить соотношение сигнал/шум
Coates, L. & Robertson, L. Ewald: an extended wide-angle Laue diffractometer for the second target station of the Spallation Neutron Source. J. Appl. Crystallogr. 50, 1174–1178 (2017)
Слайд 40Дифрактометры для белковой нейтронной кристаллографии
2015 год
Слайд 41Насыщение объекта дейтерием
Необходимо заменить атомы водорода на атома дейтерия для
улучшения качества ядерной плотности
Слайд 42Насыщение объекта дейтерием
Необходимо заменить атомы водорода на атома дейтерия для
улучшения качества ядерной плотности
Продуцент/белок/кристалл
Тяжелая вода (D2O)
Ученый
Слайд 43Насыщение объекта дейтерием
Необходимо заменить атомы водорода на атома дейтерия для
улучшения качества ядерной плотности
Насыщение дейтерием можно проводить после кристаллизации, во
время кристаллизации и на этапе экспрессии
Показано, что структуры с дейтерием могут отличаться от структур с протием
Слайд 44Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе кристаллизации:
До
непосредственной кристаллизации проводят диализ белкового препарата или серию концентрирования-разведения раствором
на основе D2O
Слайд 45Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе кристаллизации:
До
непосредственной кристаллизации проводят диализ белкового препарата или серию концентрирования-разведения раствором
на основе D2O
Все растворы для кристаллизации готовятся на D2O
Слайд 46Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе кристаллизации:
До
непосредственной кристаллизации проводят диализ белкового препарата или серию концентрирования-разведения раствором
на основе D2O
Все растворы для кристаллизации готовятся на D2O
Показано, что условия кристаллизации в D2O могут отличаться от таковых в растворе H2O
Слайд 47Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе кристаллизации:
До
непосредственной кристаллизации проводят диализ белкового препарата или серию концентрирования-разведения раствором
на основе D2O
Все растворы для кристаллизации готовятся на D2O
Показано, что условия кристаллизации в D2O могут отличаться от таковых в растворе H2O
Только примерно 25% водородов в белке доступно для замещения на дейтерий (в основном поверхностно расположенные)
Слайд 48Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе кристаллизации:
До
непосредственной кристаллизации проводят диализ белкового препарата или серию концентрирования-разведения раствором
на основе D2O
Все растворы для кристаллизации готовятся на D2O
Показано, что условия кристаллизации в D2O могут отличаться от таковых в растворе H2O
Только примерно 25% водородов в белке доступно для замещения на дейтерий (в основном поверхностно расположенные)
Скорость и эффективность обмена зависят от таких факторов как: водородные связи, доступ растворителя, рН, время инкубации. Большое влияние оказывает плотность кристаллической упаковки
Слайд 49Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе кристаллизации:
До
непосредственной кристаллизации проводят диализ белкового препарата или серию концентрирования-разведения раствором
на основе D2O
Все растворы для кристаллизации готовятся на D2O
Показано, что условия кристаллизации в D2O могут отличаться от таковых в растворе H2O
Только примерно 25% водородов в белке доступно для замещения на дейтерий (в основном поверхностно расположенные)
Скорость и эффективность обмена зависят от таких факторов как: водородные связи, доступ растворителя, рН, время инкубации. Большое влияние оказывает плотность кристаллической упаковки молекул
Показано, что для насыщения дейтерием сформированного кристалла (метод вымачивания) необходимо от 7 дней до 10 лет (в зависимости от образца), а среднее время составляет 1 месяц.
Слайд 50Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе кристаллизации:
До
непосредственной кристаллизации проводят диализ белкового препарата или серию концентрирования-разведения раствором
на основе D2O
Все растворы для кристаллизации готовятся на D2O
Показано, что условия кристаллизации в D2O могут отличаться от таковых в растворе H2O
Только примерно 25% водородов в белке доступно для замещения на дейтерий (в основном поверхностно расположенные)
Скорость и эффективность обмена зависят от таких факторов как: водородные связи, доступ растворителя, рН, время инкубации. Большое влияние оказывает плотность кристаллической упаковки молекул
Показано, что для насыщения дейтерием сформированного кристалла (метод вымачивания) необходимо от 7 дней до 10 лет (в зависимости от образца), а среднее время составляет 1 месяц.
Слайд 51Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе кристаллизации:
До
непосредственной кристаллизации проводят диализ белкового препарата или серию концентрирования-разведения раствором
на основе D2O
Все растворы для кристаллизации готовятся на D2O
Показано, что условия кристаллизации в D2O могут отличаться от таковых в растворе H2O
Только примерно 25% водородов в белке доступно для замещения на дейтерий (в основном поверхностно расположенные)
Скорость и эффективность обмена зависят от таких факторов как: водородные связи, доступ растворителя, рН, время инкубации. Большое влияние оказывает плотность кристаллической упаковки молекул
Показано, что для насыщения дейтерием сформированного кристалла (метод вымачивания) необходимо от 7 дней до 10 лет (в зависимости от образца), а среднее время составляет 1 месяц.
Слайд 52Насыщение объекта дейтерием
Сравнение методов насыщения дейтерием на примере нейтронных структур
протеазы HIV-1
A – вымачивание в D2O на протяжении 14 дней;
B – Кристаллизация методом диффузии паров на протяжении 28 дней.
Шкала показывает насыщение дейтерием
Слайд 53Насыщение объекта дейтерием
Насыщение дейтерием на этапе экспрессии:
Рост
культуры-продуцента должен идти в питательной среде на основе D2O
Все атомы
водорода заменяются на дейтерий
Этап выделения можно проводить на растворах воды (внутренние атомы дейтерия не выходят, а поверхностные можно заменить с помощью насыщения на этапе кристаллизации)
На сегодняшний день метод проверялся только на E. coli. Культура должна быть приучена к тяжелой воде
Сравнение методов насыщения дейтерием на примере нейтронных структур бета-лактамазы
A. Насыщение дейтерием после экспрессии
Б. Насыщение дейтерием во время экспрессии
А
Б