Neutrontekniker är bra för att studera lätta atomer som väte - bra för biologiska molekyler som innehåller ett stort antal av dem. Neutroner är särskilt känsliga för isotopsubstitution av väte (1H) med deuterium (2H) och detta gör att kontrasttekniker kan användas för att studera molekyler i detalj. För detta, användare måste förbereda deutererade versioner av de biologiska molekylerna som de vill studera. Dock, dessa per-deutererade molekyler är sällan tillgängliga från kommersiella leverantörer eftersom marknaden för dem är av begränsat värde. Här syftar SINE2020 till att fylla luckan.

Uppgift 5.2 i arbetspaketet Chemical Deuteration är att ställa in procedurer för extraktion, rening och analys av smådeutererade biomolekyler. Dessa molekyler kommer sedan att vara tillgängliga för användare av neutrontekniker och via DEUNET-plattformspartners. De huvudsakliga biomolekylerna som är involverade är fosfolipider, steroler (t.ex. kolesterol) och sfingolipider - alla typer av molekyler som kan hittas i biologiska membran och därför har viktiga tillämpningar i läkemedel. Lipider har också roller i kosmetika, livsmedels- och nanotekniksektorerna, så förmågan att studera dem med neutroner skulle vara ovärderlig för många forskare och industriföretag.

Krishna Batchu, med Giovanna Fragneto, vid ILL genomför forskningen för SINE2020. Arbetet har koncentrerats på olika fosfolipider som främst inkluderar fosfatidyletanolamin (PE), fosfatidylkolin (PC) och fosfatidylserin (PS). De framställs med hjälp av cellkulturer av jäststammen Pichia pastoris eftersom den fungerar bra för lipidextraktion och växer framgångsrikt i deutererade medier.

Fosfolipider är amfipatiska molekyler som består av en vattenälskande huvudgrupp och två vattenhatande "ben". "Benen" är kedjor av kolatomer bundna till väte (eller deuteriumatomer). Deras sammansättningar i cellmembranen är enormt komplexa med membran som typiskt omfattar flera tusen kemiskt distinkta molekylarter av lipider. Kedjorna inom kan variera i längd, vanligtvis mellan 6 och 24 kolatomer, och innehåller mellan 0 och 12 dubbelbindningar mellan kolatomerna – den så kallade mättnadsnivån. Ju fler dubbelbindningar, desto mer omättad kedja.

Fosfolipidhomeostas i ett biologiskt system upprätthålls via tre viktiga cellulära processer:1) Biosyntes 2) Ommodellering och 3) Nedbrytning. I jästcellerna (i kulturen) finns ett dedikerat molekylärt maskineri för fettsyrametabolism som orsakar både förlängning och omättnad av kedjan, katalyserad av elongaser respektive desaturaser, under produktionsprocessen. När den väl har biosyntetiserats, deras inkorporering i olika fosfolipider katalyseras av ett antal acyltransferaser vilket leder till existensen av en större repertoar av individuella molekylarter. Utmaningen är att med så många variabler är antalet typer av fosfolipider som produceras enormt.

En del av projektet har studerat hur tillväxtförhållandena påverkar vilken typ av lipider som produceras. Inga signifikanta skillnader har hittats som tyder på att skördetiden påverkar lipidprofilen men det finns en viss indikation på att kolkällan har en effekt och att mer omättnad uppstår om tillväxt sker vid lägre temperaturer.

När en cellkultur har vuxit, lipiderna måste extraheras, separerade och renade. Detta har uppnåtts, för både hydrogenerad och deutererad PC, PS- och PE-molekyler, med användning av en tvåstegsprocess:en fastfasextraktion följt av rening via en normalfaskolonn kopplad till ett HPLC-system. Hydrogenerade versioner har tagits fram för att jämföra dem med de deutererade arterna och för att initialt testa processer för att undvika slöseri med dyrt deuterium.

Nu är utmaningen att rena enskilda molekylarter, identifiera dem och analysera dem med en masspektrometrisk metod. Det slutliga målet är att noggrant dokumentera alla procedurer och protokoll för att producera dessa deutererade biomolekyler för framtida användare.