膜蛋白質の構造解析および経験的モデリング中性子小角散乱実験でコントラストに一致する洗剤

膜タンパク質は、すべての遺伝子¹の推定 30% がエンコードされ、現代の医薬品のターゲットの大多数を表します。²これらの蛋白質は、彼らの豊かさと重要性にもかかわらず重要な細胞機能を³の広い配列を行うなど、研究利用に供構造バイオインフォマティクス (RCSB) 蛋白質のための総構造の約 1% にすぎませんデータ ・ バンク。⁴彼らの部分的に疎水性性質のため膜結合蛋白質の構造決定が極めて挑戦でされています。^5,6,7

生物物理技法の多くは、測定溶液中における同一径粒子を必要と、ネイティブ膜から膜タンパク質を分離し、生体膜の可溶性模倣これらのタンパク質の安定化は最近の研究の活発な領域をされています。数十年。^8,9,これらの調査は、nanodiscs^11,12,13膜,^{14,15 等の膜タンパク質の可溶化多くの新規両親媒性アセンブリの開発につながっている10}と amphipols。^16,17ただし、洗剤のミセルの使用特定の蛋白質の容解性の要件を満たすための最も一般的で簡単な方法の 1 つは。^{18,19,20,21,22,23,24,25}残念ながら、単一の洗剤や洗剤の魔法混合現在存在満たすすべての膜蛋白質。したがって、これらの条件は経験的蛋白質ごとの固有の要件にスクリーニングする必要があります。^26,27

洗剤は、ミセルと呼ばれる集合構造を形成するソリューション、臨界ミセル濃度以上で自己組み立てます。ミセルは、疎水性のアルキル鎖ミセル コアおよび水溶媒に直面してミセル シェル層に配置される親水性のヘッド グループを形成 (通常は 20 から 200 まで) 多くの洗剤モノマーの構成されます。洗剤のミセル形成挙動は古典的な疎水性効果、²⁸およびサイズでチャールズ タンフォードによって記述され、膜タンパク質研究で一般的に使用される洗剤のミセルの形状をしています。小角散乱法を用いた特徴付けられます。^29,30洗剤組織膜タンパク質についても研究されていると、きちんと洗剤のような配置でタンパク質を取り巻く洗剤の分子蛋白質界面活性剤複合体 (Pdc) の形成を期待ミセル。³¹

1 つは、洗剤を使用する利点は他の洗剤を組み込むことによって生じるミセル プロパティを操作できることを追加しました。多くの洗剤を示す理想的な混合と混合ミセルの選択プロパティはコンポーネントとの混合比率からも予想されます。²²ただし、洗剤の存在できますまだ課題が生物物理特性の信号全体に貢献することであります。たとえば、x 線と光散乱技術、PDC の洗剤からの信号はタンパク質と実質的に区別できます。³²単一粒子の低温電子顕微鏡 (Cryoem) 調査は通常トラップ (冷凍) 粒子に依存してください。蛋白質の構造の詳細は、特定の洗剤や洗剤を背景に追加する高濃度によってまだ隠されています。³³ (洗剤を含む) 完全な PDC 構造の解釈への別のアプローチは、指定された膜タンパク質の周り洗剤を再構築しようとする計算方法で行われています。³⁴

中性子散乱の場合は、洗剤のミセルでコア-シェル アレンジ観測散乱に寄与するフォーム ファクターが生成されます。幸いなことに、彼らは net の観測された散乱に寄与しないことなどは、ソリューション コンポーネントを変更できます。この「コントラスト マッチング」のプロセスと一致する (バッファー) の背景の散乱長密度を達成するために水素の重水素を置き換えることによって達成されます。(利用できる重水素化対応) と洗剤の賢明な選択と混合の比率を考慮しなければなりません。洗剤のミセル、洗剤を用いた重水素置換アルキル鎖 (d-尾 h 尾ではなく) を持っているが、同じヘッド グループこの置換を実行できます。洗剤は十分に混合されたので、³⁵の集計でお越しの加重モル分率は、散乱長密度 (h 尾と尾 d) の 2 つのコンポーネントの平均。この平均コントラストが頭のグループの一貫性のある、均一の凝集構造と観測された散乱へのすべてを削除する完全に照合できます。

重水素標識アルキル鎖と化学的に同一の洗剤の分子を組み込むことによって洗剤のミセルの中性子コントラストを操作するためのプロトコルをご紹介します。^19,36,37ミセル コアとシェルは、中性子散乱のユニークな機能は、一致する完全な対比ができます。^35,38により大幅に洗練されたこの詳細レベルには、コントラストのマッチングを実現できます膜蛋白質の構造のそれ以外の場合不可能研究。さらに、このコントラスト マッチング方法は高分子交換反応³⁹と油水分散剤、⁴⁰または膜、⁴¹なども他の可溶化剤などの洗剤を含む他のシステムに拡張することnanodiscs、⁴²またはブロック共重合体。この原稿が、アルキル鎖および/または頭の部分重水素置換の単一洗剤種を用いたアウトラインとして⁴³ A 同様のアプローチは最近出版されました。置換および 2 段階用の洗剤の利用できる位置の限られた数、ここで紹介した方法と比較して³⁷これが水素と重水素洗剤中のランダムな分布の改善に期待できます。合成洗剤は、ポーズの追加の課題を検討に必要な。

多くの場合下記のプロトコルの手順 1 と 2 が重なる品質提案を提出する最初の実験計画を行う必要がありますので。ただし、提案書の提出であるここでは中性子実験の前にこのプロセスを開始することを強調する最初のステップとして。また、提案によって示される必要があります、前提条件の手順が生化学的および物理的な特性 (安定性、純度など) 中性子研究の必要性をサポートするサンプルを持つことをする必要があります。小角中性子散乱 (SAN) の一般的な議論はこの記事の範囲を超えています。簡単なしかし徹底的な導入はカウフマン、⁴⁴と包括的な教科書に焦点を当てた生物小角ソリューション散乱による材料特性評価を公開されている最近の参照作業で利用可能です。⁴⁵さらにおすすめの読書は、ディスカッション セクションで与えられます。小角散乱は、散乱過程を説明する中央の量として、いわゆる散乱ベクトル Q を使用します。この資料を使用して、広く受け入れられている定義 Q = 4 π 罪 (θ)/θ が受信および散乱ビームと λ の半分の角度、λ は、オングストロームの中性子放射の波長。使用別のなどの記号、その他の定義が存在する ‘ の散乱ベクトルは要因 2 π かナノメートル オングストロームの代わりを使用して異なる場合があります (図 10の議論を参照してください)。