タンパク質発現、精製、結晶化実験は、オークリッジ国立研究所の米国エネルギー環境研究局の構造分子生物学センター(CSMB)で行われました。中性子回折データは、米国エネルギー省エネルギー省基礎エネルギー科学局の科学ユーザー施設部門が後援するORNLのスマレーション中性子源(SNS)のBL-11B MaNDiで収集されました。著者らはブレンダン・サリバンに対し、データ削減に関する支援に感謝している。X線回折データは、ノースカロライナ州が支援するノースカロライナ州立大学の分子教育・技術・研究イノベーションセンター(METRIC)施設で収集されました。GCSは、国立研究財団(NRF)、南アフリカ、およびORNLの大学院機会(GO!)プログラムからの支援を認めています。FMは、USDA NIFAハッチ211001からのサポートを認めています。

著者らは開示するものは何もない。

中性子タンパク質結晶学は、タンパク質におけるプロトネーション状態と水分子の配向をプローブする高感度技術です。この情報は、プロトン化と水素結合相互作用の変化がしばしば酵素化学10の中心であるため、タンパク質触媒機構に光を当てます。中性子タンパク質結晶学は、有益な技術であるにもかかわらず、中性子回折実験を計画する前に考慮すべき多くの要因を有する。
<ol><li>データ収集のための大きなタンパク質結晶の要件。</li>
	<li>水素や金属イオンなどの他の元素の散乱特性。</li>
	<li>重なったサンプルを扱う場合の構造の改良およびモデル構築ソフトウェアの制限。</li>
</ol>中性子タンパク質結晶学は、フラックス限定の技術です。X線回折データセットとは対照的に、Rファクターが高く、完全性が低く、中性子データセットの冗長性と信号対雑音比が期待されています。1 つのフレームのデータ収集は、通常 12 ~ 18 時間です。実験の成功は、サンプルのサイズと0.1 mm3の結晶を使用した品質に大きく依存します。中性子回折では、10~800μLの結晶化液を設定するために大量のタンパク質を生産する必要があります。十分に大きな結晶を成長するための最小体積は、結晶とサンプルパラメータ(https://neutrons.ornl.gov/imagine)を与えられたボリューム計算機を使用して推定することができます。大きな結晶の成長は、蒸気拡散3によって最も一般的に達成されている。吊り落としの結晶化により、10~25μLの大きな滴で結晶の成長が可能となり、市販のシッティングドロップ装置14,54を使用して、最大~50μLまでの大きな滴を設定できます。シリコン化された9ウェルガラスプレートは、最大800 μLの体積で非常に大きな滴をセットするために使用できます。これらのガラス板はハンプトンリサーチから市販されている「サンドイッチボックス」に入れられます。さらなる結晶化技術は、容器によって滴径の限界が決まるバッチ結晶化を含む。バッチ結晶化実験をセットアップすると、マイクロリットルからミリリットル55までの範囲が可能です。また、透析は、透析膜を介して沈殿物と平衡化される透析技術を用いて、あるいは沈殿物濃度勾配に沿った逆拡散またはアガロース56,57などの多孔質プラグを介して行うこともできます。シードは、所望の体積の結晶を得るための別の代替手段を提供する。NcLPMO9D45の大結晶を含む、大結晶成長のためにマイクロおよびマクロシードがうまく採用されている。溶解度に対する温度の影響を含むタンパク質相図の知識は、大きな結晶成長に役立つ。
中性子回折実験を計画する際には、回折データ収集中のシグナル対ノイズ比を最大化するタンパク質調製の最適化が不可欠である7。H原子による密度の取り消しと高い支離滅裂散乱を回避するために、正のコヒーレント散乱長と低い支離滅裂散乱長を有する同位体DのH原子を交換することで、中性子SLDマップを改善することができます。これを達成するために、重水素化結晶化緩衝液に対する水素化タンパク質結晶の蒸気交換が行われる。これにより、溶媒分子と不安定でtitratableタンパク質H atoms23のH/D交換が保証されます。蒸気交換は、水素化結晶をD2O系の重水素化結晶化バッファー「プラグ」を用いて石英キャピラリーに取り付けることによって行われ、最も頻繁に適用される効果的で穏やかな技術を表します14,23,35。交換には数週間かかる場合があり、最大H/D交換を確実にするために、重水素化バッファーを頻繁に変更する必要があります。H/D交換は、重水素化緩衝液中に結晶を直接浸すことによっても行うことができる。D2O露光によるストレス下に結晶を配置することを避けるために、D2O:H2O比58を段階的に増加させることによって、浸漬プロセスを徐々に行う必要があります。これに加えて、水素化タンパク質の結晶化は、不安定性H部位22,59でのH/D交換用の重水素化緩衝液でも行うことができる。ただし、D2O系緩衝液は、公知のH2O系条件の更なる調整を必要とするタンパク質溶解度に影響を及ぼす3,59である。D2O系バッファーは、場合によっては小さい結晶につながることも観測されています59。Titratableと炭素結合H原子をDに完全に交換するには、重膜媒体中のタンパク質を発現させて透過サンプル20を生成する。透過サンプルの結果として得られる中性子SLDマップは大幅に改善され、水素化されたサンプルの密度キャンセルが表示されなくなりました。これは、タンパク質または補因子において交換不可能な部位で結合したH/Dを特徴付けると効果的である。しかし、透過タンパク質の発現は、コストが高く、かつyield60では低い。オークリッジ国立研究所(ORNL)構造分子生物学センター(CSMB)は、透過サンプル(https://www.ornl.gov/facility/csmb)を生成しようとするユーザーのための重水素化施設を提供しています。透過化発現は、典型的には、精製タンパク質61の〜50mgの収量を1Lスケールでバイオリアクターで行う。
中性子回折データの収集に続いて、洗練とインタラクティブモデル構築が行われます。改良は、phenix.refine、nCNS、またはSHELXL28、31、32、33を含む複数のソフトウェアスイートを使用して実行できます。Phenixスイートは、中性子SLD map34からモデルを手動で構築するために使用されるクートと組み合わせて中性子回折データを改良するために最も一般的に利用されるソフトウェアです。フェニックスとクートの両方が中性子回折データの処理を可能にするが、中性子データおよび重水素化されたサンプルに関連する特異性を処理するために必要な特定の特徴を欠いている可能性がある。例えば、Cootは重水素化残基のジオメトリ最適化を含まないため、「リアルスペースリファイン」機能は「爆発」残基を生じるため、モデル構築中に複雑化を招く可能性があります(補足図26)62。これは、すべての重水素残基の拘束ファイルを生成することによって解決することができます。ただし、これは集中的なプロセスであり、そのようなライブラリは現在一般に公開されていません。Phenix で改良を行う場合、交換可能な H/D サイトは、最初は H および D の占有率 0.50 に設定されます。改良が行われると、HとDの占有率は中性子SLDマップに従って洗練されます。インタラクティブモデル構築中、差分密度 Fo-Fc マップは、H/D 占有を評価する上で非常に有益です。マップを使用して、どのサイトが高 D 占有率を持っているのかを判断できます。ただし、H:D占有率は0.70:0.30に近く、中性子SLDマップ64で完全な信号キャンセルが発生します。また、準ラウエ中性子データセットは、多くの場合、X線回折データの98%≥日常的に観測されるよりも低い80%の完全性を有することを考慮する必要があります。Phenixで中性子回折データをリファインする場合、欠落している観測振幅(Fo)がモデルから計算されて反射リストが完成し、モデルバイアスが導入されます。この潜在的なバイアスを考慮するには、「no_fill」マップではなく、インタラクティブモデルの構築中に検討する必要があります。
ユーザーは、構造の共同X線/中性子データの洗練、または中性子データのみの改良を実行することができます。中性子SLDマップの視覚化は、特に低解像度で、特にH/D蒸気交換にもかかわらず交換不可能な部位にHがまだ存在する水素化タンパク質に対して、特に混乱している可能性があります。これにより、中性子密度マップのキャンセルが発生し、不連続マップの印象を与える65,66。対応する X 線データセットを収集すると、これらの取り消しを共同絞り込みで補完できます (図 13A および図 13B)。関節改良戦略では、通常、X線データに対してタンパク質骨格座標を改良し、中性子回折データを使用して交換可能な部位28におけるH/D原子の位置と占有率を改良する。交換可能な場所でのジョイント H/D 占有率の導入により、洗練されるパラメータの数が増えるため、X線データによるジョイントの絞り込みによって、データ対パラメータ比も増加します。関節の改良には、同じ結晶または同じ条件で成長した結晶上の同じ温度で、対応する X 線データセットを収集する必要があります。室温(300K)で収集された中性子回折データの場合、放射線損傷を制限するために低線量のデータ収集戦略を用いて、対応するX線データセットを室温で収集する必要があります。対照的に、透過サンプルは、H/D信号のキャンセルの同じ大きさを持たないので、改善された、連続的な中性子SLDマップを提供する。しかし、金属や硫黄を含む特定の元素の中性子散乱の長さは、たとえタンパク質が透過化されていても、中性子SLDマップでは見えにくい(図13C-F)18。金属を特徴付ける必要がある場合は、関節の細分化でX線回折を利用するか、分光技術を適用して回折実験を補完するのが最善です。中性子のみのデータの改良は、中性子データセットが高解像度の場合や、透過性タンパク質を使用した場合に行われることがよくあります。また、X線由来の構造が放射線誘発物を保有する可能性があるため、放射線損傷に対して高感度なタンパク質が研究されている場合は、中性子のみのデータ精製が特に有用です。中性子データのみの改良を行う場合は、対応する中性子データセットに十分な完全性と解像度があるかどうかを確認する必要があります。
ORNLは、HFIRのIMAGINEビームラインとSNS36,67のMaNDiビームラインの2つの中性子回折データを収集するための2つの施設を提供しています。どちらの装置も同様の原理を用いた中性子回折データセットを収集する有効な手段を提供しますが、各機器にはビーム時間を適用する際に考慮すべき固有の仕様があります。IMAGINEは、準ラウデータを収集し、単位セルを持つ結晶上の室温データ収集に最適化されています。.MaNDiは、~300Åまでのユニットセルを持つ結晶上のTOF-Laueコレクションを用いた室温および低温データの収集に使用できます。完全なデータセットを収集する前に、結晶に対してテストを行い、結晶が単一フレームの中性子ビームに露出する回折パターンの品質を評価します。結晶が十分な品質の場合、完全な中性子回折データセットが収集され、インデックス化され、統合され、スケーリングされ、X線データ処理に類似したプロセスにマージされます。IMAGINEはラウエゲンとLscaleを利用し、MaNDiはマンティッドパッケージを利用し、3次元プロファイルフィッティング48、50、51、68、69,70を採用しています。これらの施設のいずれかでユーザーになる科学者は、さらなる分析のためにMTZまたはHKL形式のデータセットを提供されます。
中性子回折は、生体高分子のプロトネーション状態と水素結合相互作用を調査するための非破壊性、高感度の技術です。特に光感受性タンパク質やメタロタンパク質に有用です。実験を行う前に、この技術とデータの処理に関するいくつかの考慮事項を考慮する必要がありますが、結果は結果をもたらし、目的のタンパク質の触媒メカニズムに関する貴重な洞察を与える可能性があります。中性子タンパク質結晶学は、計算、構造、生化学的、分光学的研究を補完し、生物学者の生物学的高分子を特徴付けるために使用される技術の貴重なツールとなっています。

中性子高分子結晶学は、タンパク質の構造と基礎となる化学に独特の窓を提供する技術です。概念的にはX線回折と同様に、中性子回折は高分子構造の原子論的詳細を提供するが、中性子と核の相互作用は光原子の局在化を可能にし、しばしばX線回折1で検出することが困難である。X線回折の間、X線は電子雲から散乱し、水素(H)などの光原子が、近くにある電子密度マップでは見え難く、サブオーングストローム解像度2に近い。対照的に、中性子の散乱強度は、同じ元素の同位体が異なる散乱長さを示す、核との複雑な相互作用に依存する。したがって、水素(1H)や重水素(2HまたはD)などの光原子とその同位体は、中性子散乱長さ密度(SLD)マップにおける骨格炭素、窒素および酸素原子と同等の視認性を有する。さらに、中性子散乱の大きさは電子の数とは無関係であるため、X線散乱で観測されるように、重元素から散乱しても重元素が近くにある場合には、重元素によって散乱が隠れつづけない。中性子回折を採用する際のHとその同位体Dの視認性の向上は、触媒的に重要な残基、補因子および配位子の原発状態に関する貴重な情報を提供し、水分子の配向を助け、触媒機構およびタンパク質化学3に関する重要な情報を明らかにする。中性子回折は、特に金属中心や感光性の酸化還元剤2を有するタンパク質などのイオン化に敏感な生体試料に特に適した非破壊技術であるという利点を提供する。本稿の主な焦点は、高品質の中性子タンパク質結晶構造を得るためのワークフローの概要を提供することです。中性子散乱のさらなる応用については、関心のある読者をPodjarny et al.4、Blakeley5、Blakeleyらら、O'Dellら3に紹介し、中性子タンパク質回折とアシュカーらの優れた概要を紹介します。
中性子は主に、原子炉源での核分裂または加速器ベースのソースでのスフレ化の2つのプロセスのいずれかを採用した核反応中に生成されます8。原子炉源は 235U同位体の核分裂を採用して連続的な中性子ビームを提供し、スマレーション中性子源はターゲット(例えば水銀などの液体金属)をprotons9で爆撃してパルス中性子ビームを生成する。テネシー州オークリッジにあるオークリッジ国立研究所(ORNL)は、高磁束同位体原子炉(HFIR)の定常中性子源と、スマレーション中性子源(SNS)で60Hzパルス源の両方をホストしています。イマジンビームラインは、HFIRに位置し、生体高分子用に最適化された中性子回折計です(補足図1)10。IMAGINEは、中性子画像プレート検出器を採用し、ユニットセルエッジ<150 Åの単結晶から2.8~4.5Åの狭いバンドパスを使用して、準ラウエのデータを測定します。SNSに位置する高分子中性子回折計(MaNDi)は、球状検出器アレイフレーム(DAF)を搭載した飛行時間(TOF)ラウエ中性子回折計です(補足図2)11。MaNDiは、2.0~6.0 Å12の間で調整可能な2 Å波長帯域幅を採用することにより、ユニットセルエッジが10~300 Åの範囲にある単結晶からのデータを測定します。
中性子の生成過程はエネルギー集約性が高く、放射光源13でのX線ビームフラックスと対比すると、比較的弱い中性子ビームフラックスが生じる。データ収集中に十分な信号対雑音比を確保するためには、適切なサイズと品質14の結晶を成長させる必要があります。通常、ボリューム>0.1 mm3の結晶は、適切な統計15でデータを収集するために必要です。より低い流束に加えて、中性子とサンプル核の間の相互作用の固有の特性を考慮する必要があります16。中性子の散乱長は、同じ元素の同位体では異なり、小さな角度中性子散乱(SANS)で有利に利用され、サンプルの領域をマスクまたはハイライトする特性である-コントラストマッチング17と呼ばれるプロセス。回折実験では、H(-3.741 fm for 1H)の負のコヒーレント中性子散乱長は、炭素(12Cの6.6511fm)、窒素(14Nの場合は9.37 fm)、酸素(14Nのための9.37 fm)を含む他の生物学的に関連する原子の一貫した中性子散乱長さから、中性子散乱密度マップの特徴を取り消す可能性があります(5.803fmOの場合は5.803fmO)。 リン(31Pの場合は5.13fm)および硫黄(32Sの場合は2.804 fm)は、正(表1)12,14である。さらに、H (25.274 fm) の大きな支離滅裂な散乱の長さは、データ収集中に背景を増加させ、データセットの品質を妨げ、データ解像度を損なう7。Hによってもたらされるこれらの制限を回避するには、中性子回折のために、正のコヒーレント中性子散乱長(6.671fm)と離離滅裂散乱長(4.04fm)19を有する同位体重水素とHを交換する必要がある。 これは、H部位20におけるDの完全な組み込みを保証する完全に重い培地で増殖した生物によってタンパク質が発現するプロセスであるパーデレートによって達成することができる。また、交換可能な部位(titraable基)のみでHをDに置換することによってタンパク質を部分的に重水素化することも可能であり、非交換可能な炭素結合部位は水素化21のままである。これは、重水素化母液22中の水素化タンパク質結晶の成長によって達成することができる。しかし、最も一般的には、水素化タンパク質のH/D交換は、H2Oベースのbuffer23における適切に大きな結晶の成長後の蒸気交換によって行われる。このような場合、結晶は水晶キャピラリーに取り付けられ、D20系の母液で気相を平化する。
中性子源の限られた中性子フラックスは、数日から数週間まで、より長いデータ収集時間をもたらす24。ORNLでは、IMAGINEとMaNDiの両方が2-6 Å範囲の狭波長バンドパスを使用してデータ収集25を最適化しています。データは室温または低温で収集することができます。Cryo-dataコレクションはデータ品質を向上させる可能性があり、凍結トラップ触媒中間体の可能性を開くことができます。中性子回折データ収集後、X線データセットは通常、同じ温度または同じ条件下で成長した結晶上の同じ結晶上で収集されます26。同じ温度でのデータ収集により、X線と中性子の両方のデータに対して構造の改良が行われ、水の可視性や位置の変化、または代替立体構造を持つ残留物の占有など、温度誘発の可能性のあるアーティファクトを防ぐことができます。ジョイントX線中性子データの精製は、データ対パラメータ比を増加させ、タンパク質バックボーン座標をX線データに対して改良できる利点を提供し、中性子回折データを使用してH/D原子28の位置を調整します。これは、タンパク質上の非交換可能な部位におけるH原子による密度の取り消しが存在する部分的に重水素化されたサンプルを使用する場合に特に有用である。X線構造の数はタンパク質データバンク(PDB)に堆積する中性子構造の数をはるかに上回っていますが、X線データの改良のために最初に設計されたソフトウェアパッケージは、中性子データだけでなく、3,29,30を包含するように拡張されました。データ収集後、モデルは、phenix.refine、CNSsolve (nCNS) または SHELXL28,31,32,33 などの絞り込みパッケージを使用して改良できます。改良プロセス中に、中性子散乱密度マップを、COOT34を使用して手動フィッティングのために視覚化することができます。構造解に続いて、座標および中性子および/またはX線回折データファイルをPDBに提出し、モデルを検証して堆積させ、公開アクセス18,29,30に利用できるようにする。
タンパク質の構造解析は、多くの手法を用いてその機能とメカニズム35を探る多面的アプローチです。中性子タンパク質結晶学は、X線回折、分光法、核磁気共鳴(NMR)またはマイクロ結晶電子回折(microED)36などの追加研究からの知見を拡大し、補完するための貴重な化学的洞察を提供します。中性子タンパク質回折は、H原子が化学の中心であるため、酵素メカニズムに関する洞察を提供するためにユニークに配置されています。中性子によって誘発される放射線損傷の欠如は、メタロタンパク質37の研究に非常に適したプローブを作る。ここでは、サンプル調製からデータ収集、精製、解析までの中性子タンパク質回折のプロセスの代表的な例を紹介します(図1)。中性子回折実験に十分な大きさの結晶が、金属蛋白質ニューロスポラ・クラッサLPMO9D(NcLPMO9D)の成長を行っている。NcLPMO9Dは、グリコシド結合38,39における酸素原子挿入によるレカルシラントセルロースの分解に関与する銅含有メタロタンパク質である。NcLPMO9D活性部位は、N末端ヒスチジンと第2の保存ヒスチジンで構成される特徴的な「ヒスチジンブレース」内の単核銅中心を含む(補足図3)40。真菌性LPMのN末端はメチル化されるが、移行後の修飾は酵母における組換え発現中には起こらない。NcLPMO9D静止状態では、銅中心はCu2+酸化状態で存在し、Cu1+への単一電子還元によって活性化され、分子酸素が結合し、急速にスーパーオキシド種41,42に還元されることによって活性化される。全体的なNcLPMO9D反応は、ヒドロキシル化多糖生成物を形成するために1つの電子と2つの陽子をさらに添加する必要があります。多糖基質からの水素原子アブストラクション(HAA)を担う活性酸素種の同一性は特定されておらず、構造研究や計算研究の集中が現在進行中である。NcLPMO9D活性部位における酸化還元化学を考えると、放射線損傷の軽減は特に関連する。ここでは、NcLPMO9D結晶上の室温および低温データ収集を図示し、それぞれ46の静止状態および活性化還元型でNcLPMO9D構造を決定する。タンパク質結晶実装、データ収集用ビームライン機器の設定、データと座標ファイルの準備、全原子中性子構造をモデル化するために必要な改良ステップに重点が置かれる。

<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

中性子晶出学は、生体高分子内の水素原子位置を決定し、放射線損傷を誘発しない一方で、プロトン化と水和状態に関する重要な情報を生み出す構造技術です。対照的に、X線回折は光原子の位置に関する限られた情報しか提供せず、X線ビームは感光性補因子および金属中心の放射線損傷を急速に誘発する。ここでは、オークリッジ国立研究所(ORNL)のIMAGINEとMaNDiビームラインに採用され、適当なサイズ(>0.1mm3)のタンパク質結晶が成長した後に中性子回折構造を得るためのワークフローを紹介します。中性子回折データ収集のための石英毛細血管中の水素化タンパク質結晶の取り付けについて実証する。また、重水素を交換可能な場所で水素原子の交換を確実にするために、D2O含有バッファーを有するマウントされた結晶の蒸気交換プロセスも提示される。重水素の組み込みは、水素原子の支離滅裂な散乱に起因する背景を減少させ、負のコヒーレント散乱長に起因する密度の取り消しを防ぎます。サンプルアライメントおよび室温データ収集戦略は、高磁束同位体反応器(HFIR)でのIMAGINEでの準ラウデータ収集を使用して示されています。さらに、水晶体の取り付けと液体窒素中の急速凍結、凍結データ収集用の不安定反応中間体をトラップする場合は、SNS(スマレーション中性子源)のMaNDi飛行時間計で実証されています。モデル座標と回折データファイルの作成と中性子散乱長密度(SLD)マップの可視化も行います。対象となるタンパク質の全原子構造を得るために、中性子データのみのデータや共同X線/中性子データに対する構造の微細化が最終的に議論される。中性子構造を決定するプロセスは、グリコシド結合の酸化的切断を介した再焼結合性多糖類の分解に関与する銅含有メタロタンパク質である、単糖多糖類の単糖類の結晶を用いて実証される。

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

中性子タンパク質結晶学は、水素原子の局在化を可能にする構造技術であり、タンパク質機能の重要な機械的な詳細を提供します。ここでは、タンパク質結晶の実装、中性子回折データの収集、構造の微細化、中性子散乱長密度マップの解析のワークフローを紹介します。

中性子結晶学データの収集とタンパク質構造における水素原子のモデリング処理

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

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Chemistry

4.8K ビュー.  North Carolina State University. 中性子タンパク質結晶学は、水素原子の局在化を可能にする構造技術であり、タンパク質機能の重要な機械的な詳細を提供します。ここでは、タンパク質結晶の実装、中性子回折データの収集、構造の微細化、中性子散乱長密度マップの解析のワークフローを紹介します。

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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.

水素交換質量分析法を用いてタンパク質のダイナミクスを分析する

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

化学

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.

反応性多孔質材料を精製するための超臨界窒素処理

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.

小角中性子散乱による熱可逆性ブロック共重合体と特性を持つ単層カーボンナノチューブの機能化

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.

保存科学における粉末X線回折：遺産アートオブジェクトに対する腐食製品のルーチンの結晶構造の決意に向けて

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.

高安定、機能毛深いナノ粒子と木材繊維からバイオポリマー：持続可能なナノテクノロジーに向けて

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

Synthesis of Protein Bioconjugates via Cysteine-maleimide Chemistry

The chemical linking or bioconjugation of proteins to fluorescent dyes, drugs, polymers and other proteins has a broad range of applications, such as the development of antibody drug conjugates (ADCs) and nanomedicine, fluorescent microscopy and systems chemistry. For many of these applications, specificity of the bioconjugation method used is of prime concern. The Michael addition of maleimides with cysteine(s) on the target proteins is highly selective and proceeds rapidly under mild conditions, making it one of the most popular methods for protein bioconjugation.
We demonstrate here the modification of the only surface-accessible cysteine residue on yeast cytochrome c with a ruthenium(II) bisterpyridine maleimide. The protein bioconjugation is verified by gel electrophoresis and purified by aqueous-based fast protein liquid chromatography in 27% yield of isolated protein material. Structural characterization with MALDI-TOF MS and UV-Vis is then used to verify that the bioconjugation is successful. The protocol shown here is easily applicable to other cysteine - maleimide coupling of proteins to other proteins, dyes, drugs or polymers.

Synthesis of Protein Bioconjugates via Cysteine-maleimide Chemistry

This protocol details the important steps required for the bioconjugation of a cysteine containing protein to a maleimide, including reagent purification, reaction conditions, bioconjugate purification and bioconjugate characterization.

タンパク質のバイオコンジュゲートの合成<em&gt;経由で</em&gt;システイン - マレイミドケミストリー

The chemical linking or bioconjugation of proteins to fluorescent dyes, drugs, polymers and other proteins has a broad range of applications, such as the ...

Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). In the case of fast reversible electrochemical processes, current is predominantly affected by the rate of diffusion, which is the slowest and limiting stage. EIS is a powerful technique that allows separate analysis of stages of charge transfer that have different AC frequency response. The capability of the method was used to extract the value of charge transfer resistance, which characterizes the rate of charge exchange on the electrode-solution interface. The application of this technique is broad, from biochemistry up to organic electronics. In this work, we are presenting the method of analysis of organic compounds for optoelectronic applications.

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of species that undergo reversible oxidation or reduction in solution was used for determination of rate constants of oxidation or reduction.

電気化学インピー ダンス分光電気化学定数推定法のためのツールとして

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). ...

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The devices are patterned from epoxy glue using soft lithography and are suitable for in situ X-ray diffraction experiments at room temperature. The sample wells are lidded on both sides with polymeric polyimide foil windows that allow diffraction data collection with low X-ray background. This fabrication method is undemanding and inexpensive. After the sourcing of a SU-8 master wafer, all fabrication can be completed outside of a cleanroom in a typical research lab environment. The chip design and fabrication protocol utilize capillary valving to microfluidically split an aqueous reaction into defined nanoliter sized droplets. This loading mechanism avoids the sample loss from channel dead-volume and can easily be performed manually without using pumps or other equipment for fluid actuation. We describe how isolated nanoliter sized drops of protein solution can be monitored in situ by dynamic light scattering to control protein crystal nucleation and growth. After suitable crystals are grown, complete X-ray diffraction datasets can be collected using goniometer based in situ fixed target serial X-ray crystallography at room temperature. The protocol provides custom scripts to process diffraction datasets using a suite of software tools to solve and refine the protein crystal structure. This approach avoids the artefacts possibly induced during cryo-preservation or manual crystal handling in conventional crystallography experiments. We present and compare three protein structures that were solved using small crystals with dimensions of approximately 10-20 &#181;m grown in chip. By crystallizing and diffracting in situ, handling and hence mechanical disturbances of fragile crystals is minimized. The protocol details how to fabricate a custom X-ray transparent microfluidic chip suitable for in situ serial crystallography. As almost every crystal can be used for diffraction data collection, these microfluidic chips are a very efficient crystal delivery method.

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

This protocol describes in detail how to fabricate and operate microfluidic devices for X-ray diffraction data collection at room temperature. Additionally, it describes how to monitor protein crystallization by dynamic light scattering and how to process and analyze obtained diffraction data.

シリアル結晶の結晶 x 線回折その場その場での動的光散乱のためのマイクロ流体チップ

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

We describe a method to produce U2O5 films in situ using the Labstation, a modular machine developed at JRC Karlsruhe. The Labstation, an essential part of the Properties of Actinides under Extreme Conditions laboratory (PAMEC), allows the preparation of films and studies of sample surfaces using surface analytical techniques such as X-ray and ultra-violet photoemission spectroscopy (XPS and UPS, respectively). All studies are made in situ, and the films, transferred under ultra-high vacuum from their preparation to an analyses chamber, are never in contact with the atmosphere. Initially, a film of UO2 is prepared by direct current (DC) sputter deposition on a gold (Au) foil then oxidized by atomic oxygen to produce a UO3 film. This latter is then reduced with atomic hydrogen to U2O5. Analyses are performed after each step involving oxidation and reduction, using high-resolution photoelectron spectroscopy to examine the oxidation state of uranium. Indeed, the oxidation and reduction times and corresponding temperature of the substrate during this process have severe effects on the resulting oxidation state of the uranium. Stopping the reduction of UO3 to U2O5 with single U(V) is quite challenging; first, uranium-oxygen systems exist in numerous intermediate phases. Second, differentiation of the oxidation states of uranium is mainly based on satellite peaks, whose intensity peaks are weak. Also, experimenters should be aware that X-ray spectroscopy (XPS) is a technique with an atomic sensitivity of 1% to 5%. Thus, it is important to obtain a complete picture of the uranium oxidation state with the entire spectra obtained on U4f, O1s, and the valence band (VB). Programs used in the Labstation include a linear transfer program developed by an outside company (see Table of Materials) as well as data acquisition and sputter source programs, both developed in-house.

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

This protocol presents the preparation of U2O5 thin films obtained in situ under ultra-high vacuum. The process involves oxidation and reduction of UO2 films with atomic oxygen and atomic hydrogen, respectively.

U2O5膜を介して直流スパッタリングと連続酸化による UO2成膜と酸素原子と水素原子の還元

We describe a method to produce U2O5 films in situ using the Labstation, a modular machine developed at JRC Karlsruhe. The Labstation, an essential part ...

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.

微小重力環境における効率的な太陽水素製造のための実験方法

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