Scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Maryland stanno utilizzando neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) per acquisire nuove informazioni sulle molecole di DNA e RNA e consentire simulazioni al computer più accurate di come interagiscono con qualsiasi cosa, da proteine ​​ai virus. La risoluzione in soluzione delle strutture 3D dei materiali genetici fondamentali del corpo svolgerà un ruolo fondamentale nella scoperta e nello sviluppo di farmaci per trattamenti medici critici.

"Una migliore comprensione sia della struttura che delle dinamiche conformazionali del DNA e dell'RNA potrebbe aiutarci a rispondere a domande sul perché e come funzionano i farmaci e aiutarci a individuare dove si verificano le interazioni chiave a livello atomico, " ha detto Alexander Grishaev del NIST, che ha condotto la ricerca sulla diffusione di neutroni eseguita presso l'High Flux Isotope Reactor (HFIR), una struttura per gli utenti del Dipartimento dell'energia situata presso l'ORNL.

Il team ha utilizzato lo strumento Bio-SANS di HFIR per eseguire lo scattering di neutroni da piccolo a grandangolare, una tecnica non precedentemente eseguita su campioni di DNA e RNA in soluzione a causa delle limitate capacità sperimentali.

"Catturare una gamma più ampia di angoli per le biomolecole in soluzione utilizzando lo scattering di neutroni non è stato possibile fino a poco tempo fa, " disse Grishaev, "e Oak Ridge è uno dei pochi posti in cui puoi fare questo tipo di lavoro."

L'estensione delle capacità dello scattering di neutroni in soluzione fa parte di uno sforzo in avanti verso un approccio più integrato nella biologia strutturale che combini studi sui cristalli, metodi di soluzione, e altre tecniche sperimentali e computazionali per migliorare la comprensione del DNA e delle strutture proteiche.

Le simulazioni al computer di biomolecole sono state ben informate dalla cristallografia a raggi X. La tecnica principale utilizza i raggi X per determinare la disposizione degli atomi in un campione che è stato "cristallizzato" per l'analisi. Per ottenere dati di alta qualità con questa tecnica, campioni di materiali biologici che sono tipicamente diluiti in soluzione vengono concentrati e solidificati in cristalli con una struttura uniforme.

La cristallografia a raggi X funziona particolarmente bene per biomolecole rigide con strutture più o meno fisse, ma le biomolecole flessibili come il DNA e l'RNA che adottano più "conformazioni" o forme sono meno adatte alla cristallizzazione.

All'interno delle cellule viventi, DNA e RNA possono muoversi, cambiare forma, e rispondono in modo diverso agli effetti ambientali come il pH o la temperatura, alterazioni importanti da rappresentare ma difficili da caratterizzare.

"La cristallizzazione comprime strettamente le molecole, che limita i loro movimenti e maschera alcune delle informazioni strutturali che vogliamo vedere, " disse Grishaev.

Diverse tecniche sono state applicate con successo a DNA e RNA in soluzione, compresa la soluzione di dispersione dei raggi X e spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), entrambi forniscono dati importanti. Ancora, esistono discrepanze significative tra i dati di diffusione sperimentale e le migliori strutture cristalline disponibili di DNA e RNA.

Il team si è rivolto ai neutroni per scoprire il motivo.

"I neutroni interagiscono con le biomolecole in modo diverso, in modo che possiamo usarli come fonte indipendente di dati per noi per convalidare o definire meglio i modelli che abbiamo, ", ha detto Roderico Acevedo del Maryland.

Mentre i raggi X funzionano bene per definire gli atomi pesanti, come il carbonio, ossigeno, e fosforo, i neutroni sono ideali per esaminare gli atomi di idrogeno più leggeri che collegano i filamenti di DNA, Per esempio. Inoltre, i neutroni offrono un vantaggio nel sondare le biomolecole perché non sono distruttivi e non le danneggiano.

Utilizzando lo strumento Bio-SANS presso HFIR, i ricercatori sono stati in grado di raccogliere informazioni strutturali in soluzioni non facilmente ottenibili con altre tecniche sperimentali.

L'esperimento ha richiesto sia un flusso di neutroni elevato che rilevatori grandangolari per raccogliere modelli di dispersione di maggiore precisione per rivelare le strutture a livello atomico del DNA e dell'RNA in soluzione.

Usare i neutroni per raccogliere informazioni strutturali sulle biomolecole non è un'impresa ordinaria, dice Grishaev. Piccoli campioni biomolecolari in soluzioni diluite spesso producono modelli di dispersione rumorosi, rendendo i dati difficili da analizzare.

"Il Bio-SANS di HFIR è uno dei pochi strumenti a neutroni al mondo in grado di catturare contemporaneamente angoli di diffusione piccoli e ampi, combinando dettagli su scala globale e locale, ", ha affermato Volker Urban, scienziato dello strumento Bio-SANS.

"Siamo stati in grado di ottenere alcuni dei dati sullo scattering di neutroni della soluzione più precisi mai raccolti a grandangolo, non solo su DNA e RNA, ma sulle biomolecole in generale, " disse Grishaev.

Aggiungendo le nuove informazioni raccolte tramite lo scattering di neutroni in soluzione ad altri dati provenienti dallo scattering di raggi X in soluzione e dalla spettroscopia NMR, il gruppo NIST-Maryland spera di ottenere un quadro più completo delle strutture del DNA e dell'RNA, nonché ampliare le strade per la definizione di strutture molecolari con tecniche basate sui neutroni.