Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Maryland utilisent des neutrons au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) pour capturer de nouvelles informations sur les molécules d'ADN et d'ARN et permettre des simulations informatiques plus précises de la façon dont ils interagissent avec tout, de protéines aux virus. La résolution des structures 3-D du matériel génétique fondamental du corps en solution jouera un rôle vital dans la découverte et le développement de médicaments pour des traitements médicaux critiques.

"Une meilleure compréhension à la fois de la structure et de la dynamique conformationnelle de l'ADN et de l'ARN pourrait nous aider à répondre aux questions sur le pourquoi et le fonctionnement des médicaments et nous aider à localiser où se déroulent les interactions clés au niveau atomique, " a déclaré Alexander Grishaev du NIST, qui a dirigé les recherches sur la diffusion des neutrons effectuées au réacteur à isotopes à haut flux (HFIR), une installation du ministère de l'Énergie située à l'ORNL.

L'équipe a utilisé l'instrument Bio-SANS de HFIR pour effectuer une diffusion de neutrons de petit à grand angle, une technique qui n'avait pas encore été réalisée sur des échantillons d'ADN et d'ARN en solution en raison de capacités expérimentales limitées.

"Capturer une plus large gamme d'angles pour les biomolécules en solution en utilisant la diffusion de neutrons n'a pas été possible jusqu'à récemment, " dit Grishaev, "et Oak Ridge est l'un des seuls endroits où vous pouvez faire ce genre de travail."

L'extension des capacités de diffusion des neutrons en solution fait partie d'un effort de progrès vers une approche plus intégrative en biologie structurale qui combine des études de cristal, méthodes de résolution, et d'autres techniques expérimentales et informatiques pour améliorer la compréhension des structures de l'ADN et des protéines.

Les simulations informatiques de biomolécules ont été bien informées par la cristallographie aux rayons X. La première technique utilise les rayons X pour déterminer la disposition des atomes dans un échantillon qui a été « cristallisé » pour analyse. Pour obtenir des données de haute qualité avec cette technique, des échantillons de matières biologiques qui sont généralement dilués en solution sont concentrés et solidifiés en cristaux de structure uniforme.

La cristallographie aux rayons X fonctionne particulièrement bien pour les biomolécules rigides avec des structures plus ou moins fixes, mais les biomolécules flexibles comme l'ADN et l'ARN qui adoptent de multiples « conformations » ou formes sont moins adaptées à la cristallisation.

A l'intérieur des cellules vivantes, L'ADN et l'ARN peuvent se déplacer, changer de forme, et réagissent différemment aux effets environnementaux tels que le pH ou la température, altérations importantes à représenter mais difficiles à caractériser.

"La cristallisation emballe étroitement les molécules, ce qui limite leurs mouvements et masque certaines des informations structurelles que nous voulons voir, " a déclaré Grishaev.

Plusieurs techniques ont été appliquées avec succès à l'ADN et à l'ARN en solution, y compris la diffusion des rayons X en solution et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), les deux fournissent des données importantes. Encore, des écarts importants existent entre les données expérimentales de diffusion et les meilleures structures cristallines disponibles d'ADN et d'ARN.

L'équipe s'est tournée vers les neutrons pour savoir pourquoi.

"Les neutrons interagissent différemment avec les biomolécules, afin que nous puissions les utiliser comme source de données indépendante pour nous permettre de valider ou de mieux définir les modèles dont nous disposons, " a déclaré Roderico Acevedo du Maryland.

Alors que les rayons X fonctionnent bien pour définir les atomes lourds, comme le carbone, oxygène, et phosphore, les neutrons sont idéaux pour examiner les atomes d'hydrogène plus légers qui relient les brins d'ADN, par exemple. En outre, les neutrons offrent un avantage pour sonder les biomolécules car ils sont non destructifs et ne les endommagent pas.

En utilisant l'instrument Bio-SANS au HFIR, les chercheurs ont pu collecter des informations structurelles en solution difficiles à obtenir par d'autres techniques expérimentales.

L'expérience a nécessité à la fois un flux de neutrons élevé et des détecteurs grand angle pour collecter des motifs de diffusion de plus haute précision afin de révéler les structures au niveau atomique de l'ADN et de l'ARN en solution.

Utiliser des neutrons pour collecter des informations structurelles sur des biomolécules n'est pas un exploit ordinaire, dit Grishaev. De petits échantillons biomoléculaires dans des solutions diluées produisent souvent des motifs de diffusion bruyants, rendant les données difficiles à analyser.

"Le Bio-SANS de HFIR est l'un des rares instruments à neutrons au monde capable de capturer simultanément des angles de diffusion petits et larges, combinant des détails à l'échelle mondiale et locale, " a déclaré Volker Urban, spécialiste des instruments Bio-SANS.

« Nous avons pu obtenir certaines des données de diffusion de neutrons de solution de la plus haute précision jamais collectées à de grands angles, pas seulement sur l'ADN et l'ARN, mais sur les biomolécules en général, " a déclaré Grishaev.

En ajoutant les nouvelles informations collectées via la diffusion des neutrons en solution à d'autres données issues de la diffusion des rayons X en solution et de la spectroscopie RMN, le groupe NIST-Maryland espère obtenir une image plus complète des structures d'ADN et d'ARN, ainsi que d'élargir les possibilités de définition des structures moléculaires avec des techniques basées sur les neutrons.