Forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland använder neutroner vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att fånga ny information om DNA och RNA -molekyler och möjliggöra mer exakta datasimuleringar av hur de interagerar med allt från proteiner till virus. Att lösa 3D-strukturerna i kroppens grundläggande genetiska material i lösning kommer att spela en viktig roll vid upptäckt och utveckling av läkemedel för kritiska medicinska behandlingar.

"En bättre förståelse av både strukturen och konformationsdynamiken för DNA och RNA kan hjälpa oss att svara på frågor om varför och hur läkemedel fungerar och hjälpa oss att hitta var de viktigaste interaktionerna äger rum på atomnivå, "sa NIST:s Alexander Grishaev, som ledde neutronspridningsforskning utförd vid High Flux Isotope Reactor (HFIR), en avdelning för energianvändaranläggning på ORNL.

Teamet använde HFIRs Bio-SANS-instrument för att utföra små- till vidvinkelneutronspridning, en teknik som inte tidigare utförts på DNA- och RNA -prover i lösning på grund av begränsade experimentella möjligheter.

"Att fånga ett större antal vinklar för biomolekyler i lösning med neutronspridning har inte varit möjligt förrän nyligen, "sa Grishaev, "och Oak Ridge är en av de enda platserna du kan utföra den här typen av arbete på."

Att utöka möjligheterna för lösningsneutronspridning är en del av ett framsteg mot ett mer integrerat tillvägagångssätt inom strukturbiologi som kombinerar kristallstudier, lösningsmetoder, och andra experimentella och beräkningstekniker för att förbättra förståelsen av DNA- och proteinstrukturer.

Datorsimuleringar av biomolekyler har blivit välinformerade genom röntgenkristallografi. Den främsta tekniken använder röntgenstrålar för att bestämma arrangemanget av atomer i ett prov som har "kristalliserats" för analys. För att få högkvalitativa data med denna teknik, prover av biologiska material som vanligtvis späds i lösning koncentreras och stelnar till kristaller med en enhetlig struktur.

Röntgenkristallografi fungerar särskilt bra för styva biomolekyler med mer eller mindre fasta strukturer, men flexibla biomolekyler som DNA och RNA som antar flera "konformationer" eller former är mindre lämpade för kristallisering.

Inuti levande celler, DNA och RNA kan röra sig, ändra former, och reagerar annorlunda på miljöeffekter som pH eller temperatur, förändringar som är viktiga att representera men svåra att karakterisera.

"Kristallisation packar molekylerna tätt, som begränsar deras rörelser och maskerar en del av den strukturella informationen vi vill se, sa Grishaev.

Flera tekniker har framgångsrikt tillämpats på DNA och RNA i lösning, inklusive lösningsröntgenspridning och nukleär magnetisk resonans (NMR) spektroskopi, som båda ger viktiga data. Än, signifikanta avvikelser finns mellan de experimentella spridningsdata och de bästa tillgängliga kristallstrukturerna för DNA och RNA.

Teamet vände sig till neutroner för att ta reda på varför.

"Neutroner interagerar med biomolekyler olika, så att vi kan använda dem som en oberoende datakälla för att vi antingen kan validera eller bättre definiera de modeller vi har, "sa Marylands Roderico Acevedo.

Medan röntgenstrålar fungerar bra för att definiera tunga atomer, som kol, syre, och fosfor, neutroner är idealiska för att undersöka lättare väteatomer som förbinder DNA -strängar, till exempel. Dessutom, neutroner ger en fördel i att sondera biomolekyler eftersom de är oförstörande och inte skadar dem.

Med hjälp av Bio-SANS-instrumentet på HFIR, forskare kunde samla strukturell information i lösning som inte är lätt att få tag på med andra experimentella tekniker.

Experimentet krävde både ett hög neutronflöde och vidvinkeldetektorer för att samla spridningsmönster med högre precision för att avslöja atomnivåstrukturerna för DNA och RNA i lösning.

Att använda neutroner för att samla strukturell information om biomolekyler är ingen vanlig grej, säger Grishaev. Små biomolekylära prover i utspädda lösningar ger ofta bullriga spridningsmönster, gör det svårt att analysera data.

"HFIR's Bio-SANS är ett av få neutroninstrument i världen med förmåga att fånga små och breda spridningsvinklar samtidigt, kombinerar både globala och lokala detaljer, "sa Bio-SANS instrumentforskare Volker Urban.

"Vi kunde få några av de högsta precisionen neutronspridningsdata som någonsin samlats in vid vida vinklar, inte bara på DNA och RNA, men på biomolekyler i allmänhet, sa Grishaev.

Genom att lägga till den nya informationen som samlats in via lösningsneutronspridning till andra data från lösningens röntgenspridning och NMR-spektroskopi, NIST-Maryland-gruppen hoppas få en mer omfattande bild av DNA- och RNA-strukturer, samt att utvidga vägar för att definiera molekylära strukturer med neutronbaserade tekniker.