Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Maryland gebruiken neutronen in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) om nieuwe informatie over DNA- en RNA-moleculen vast te leggen en nauwkeurigere computersimulaties mogelijk te maken van hun interactie met alles van eiwitten tot virussen. Het oplossen van de 3D-structuren van de fundamentele genetische materialen van het lichaam in oplossing zal een cruciale rol spelen bij de ontdekking en ontwikkeling van geneesmiddelen voor kritieke medische behandelingen.

"Een beter begrip van zowel de structuur als de conformationele dynamiek van DNA en RNA kan ons helpen vragen te beantwoorden over waarom en hoe medicijnen werken en ons helpen te lokaliseren waar de belangrijkste interacties plaatsvinden op atomair niveau, " zei Alexander Grishaev van NIST, die het onderzoek naar neutronenverstrooiing leidde dat werd uitgevoerd in de High Flux Isotope Reactor (HFIR), een Department of Energy User Facility gevestigd op ORNL.

Het team gebruikte het Bio-SANS-instrument van HFIR om neutronenverstrooiing met kleine tot groothoek uit te voeren, een techniek die niet eerder werd uitgevoerd op DNA- en RNA-monsters in oplossing vanwege de beperkte experimentele mogelijkheden.

"Het was tot voor kort niet mogelijk om een ​​breder scala aan hoeken vast te leggen voor biomoleculen in oplossing met behulp van neutronenverstrooiing, " zei Grishaev, "en Oak Ridge is een van de weinige plaatsen waar je dit soort werk kunt doen."

Het uitbreiden van de mogelijkheden van oplossingsneutronenverstrooiing maakt deel uit van een voortschrijdende inspanning naar een meer integratieve benadering in structurele biologie die kristalstudies combineert, oplossingsmethoden, en andere experimentele en computationele technieken om het begrip van DNA- en eiwitstructuren te verbeteren.

Computersimulaties van biomoleculen zijn goed geïnformeerd door röntgenkristallografie. De eersteklas techniek maakt gebruik van röntgenstralen om de rangschikking van atomen te bepalen in een monster dat is "gekristalliseerd" voor analyse. Om met deze techniek gegevens van hoge kwaliteit te krijgen, monsters van biologische materialen die doorgaans in oplossing worden verdund, worden geconcentreerd en gestold tot kristallen met een uniforme structuur.

Röntgenkristallografie werkt vooral goed voor starre biomoleculen met min of meer vaste structuren, maar flexibele biomoleculen zoals DNA en RNA die meerdere "conformaties" of vormen aannemen, zijn minder geschikt voor kristallisatie.

In levende cellen, DNA en RNA kunnen bewegen, van vorm veranderen, en anders reageren op omgevingseffecten zoals pH of temperatuur, veranderingen die belangrijk zijn om weer te geven, maar moeilijk te karakteriseren.

"Kristalisatie pakt de moleculen stevig in, die hun bewegingen beperkt en een deel van de structurele informatie maskeert die we willen zien, ’ zei Grishaev.

Verschillende technieken zijn met succes toegepast op DNA en RNA in oplossing, inclusief oplossing X-ray scattering en nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, die beide belangrijke gegevens opleveren. Nog, significante discrepanties bestaan ​​tussen de experimentele verstrooiingsgegevens en de best beschikbare kristalstructuren van DNA en RNA.

Het team wendde zich tot neutronen om erachter te komen waarom.

"Neutronen interageren anders met biomoleculen, zodat we ze kunnen gebruiken als een onafhankelijke gegevensbron om de modellen die we hebben te valideren of beter te definiëren, " zei Roderico Acevedo uit Maryland.

Terwijl röntgenstralen goed werken om zware atomen te definiëren, zoals koolstof, zuurstof, en fosfor, neutronen zijn ideaal voor het onderzoeken van lichtere waterstofatomen die DNA-strengen verbinden, bijvoorbeeld. Aanvullend, neutronen bieden een voordeel bij het onderzoeken van biomoleculen omdat ze niet-destructief zijn en ze niet beschadigen.

Met behulp van het Bio-SANS-instrument bij HFIR, onderzoekers waren in staat om structurele informatie te verzamelen in een oplossing die niet gemakkelijk te verkrijgen is met andere experimentele technieken.

Het experiment vereiste zowel een hoge neutronenflux als groothoekdetectoren om verstrooiingspatronen met hogere precisie te verzamelen om de atomaire structuren van DNA en RNA in oplossing te onthullen.

Het gebruik van neutronen om structurele informatie over biomoleculen te verzamelen is geen gewone prestatie, zegt Grishaev. Kleine biomoleculaire monsters in verdunde oplossingen produceren vaak luidruchtige verstrooiingspatronen, waardoor de gegevens moeilijk te analyseren zijn.

"HFIR's Bio-SANS is een van de weinige neutroneninstrumenten ter wereld met de mogelijkheid om tegelijkertijd kleine en brede verstrooiingshoeken vast te leggen, het combineren van details op zowel globale als lokale schaal, " zei Bio-SANS instrumentwetenschapper Volker Urban.

"We waren in staat om enkele van de meest nauwkeurige neutronenverstrooiingsgegevens van oplossingen ooit verzameld onder grote hoeken te krijgen, niet alleen op DNA en RNA, maar over biomoleculen in het algemeen, ’ zei Grishaev.

Door de nieuwe informatie die is verzameld via neutronenverstrooiing in oplossing toe te voegen aan andere gegevens van röntgenverstrooiing in oplossing en NMR-spectroscopie, de NIST-Maryland-groep hoopt een uitgebreider beeld te krijgen van DNA- en RNA-structuren, evenals om wegen uit te breiden voor het definiëren van moleculaire structuren met op neutronen gebaseerde technieken.