来自美国国家标准与技术研究院(NIST)和马里兰大学的科学家正在橡树岭国家实验室(ORNL)使用中子来捕获有关DNA和RNA分子的新信息，并能够更精确地计算出他们如何与来自蛋白质到病毒。解决身体在解决方案中的基本遗传物质的三维结构将在药物发现和关键医学治疗的发展中发挥重要作用。
“更好地了解DNA和RNA的结构和构象动态可以帮助我们回答关于药物起作用的原因和方式的问题，并帮助我们确定在原子水平上发生关键相互作用的位置，”NIST的Alexander Grishaev说道，他领导中子散射研究在位于ORNL的能源用户设施部的高通量同位素反应堆(HFIR)上进行。
该团队使用HFIR的Bio-SANS仪器进行小到大角度的中子散射，这是一种先前未在溶液中对DNA和RNA样品进行的技术，因为实验能力有限。
“直到最近才开始使用中子散射在溶液中捕获更广泛的生物分子角度，”Grishaev说，“橡树岭是你可以做这种工作的唯一地方之一。”
扩展溶液中子散射的能力是结构生物学中更加综合的方法的一部分，该方法结合了晶体研究，溶液方法和其他实验和计算技术，以增强对DNA和蛋白质结构的理解。
通过X射线晶体学很好地了解了生物分子的计算机模拟。首要技术是使用X射线来确定样品中原子的排列，这些样品已经“结晶”进行分析。为了用这种技术获得高质量的数据，通常在溶液中稀释的生物材料样品被浓缩并固化成具有均匀结构的晶体。
X射线晶体学对于具有或多或少固定结构的刚性生物分子尤其有效，但是采用多种“构象”或形状的柔性生物分子如DNA和RNA不太适合结晶。
在活细胞内部，DNA和RNA可以移动，改变形状，并对环境影响(如pH或温度)做出不同反应，这些改变对于表现很重要但难以表征。
“结晶将分子紧紧包裹起来，这限制了它们的运动并掩盖了我们想要看到的一些结构信息，”Grishaev说。
几种技术已成功应用于溶液中的DNA和RNA，包括溶液X射线散射和核磁共振(NMR)光谱，两者都产生重要数据。然而，实验散射数据与DNA和RNA的最佳可用晶体结构之间存在显着差异。
该团队转向中子找出原因。
“中子与生物分子的相互作用不同，因此我们可以将它们用作独立的数据来源，以便我们验证或更好地定义我们拥有的模型，”马里兰州的Roderico Acevedo说。
虽然X射线可以很好地定义重原子，例如碳，氧和磷，但中子是检查连接DNA链的较轻氢原子的理想选择。另外，中子在探测生物分子方面具有优势，因为它们是非破坏性的并且不会损坏它们。
在HFIR使用Bio-SANS仪器，研究人员能够收集溶液中的结构信息，这些信息不易通过其他实验技术获得。
该实验需要高中子通量和广角探测器来收集更高精度的散射模式，以揭示溶液中DNA和RNA的原子级结构。
Grishaev说，利用中子收集生物分子的结构信息并非普通的壮举。稀释溶液中的小生物分子样品通常会产生噪声散射模式，使数据难以分析。
Bio-SANS仪器科学家Volker Urban说：“HFIR的Bio-SANS是世界上为数不多的能够同时捕获小而宽的散射角度的中子仪器之一，它结合了全球和局部尺度的细节。”
“我们能够获得一些在广角下收集的最高精度溶液中子散射数据，不仅仅是DNA和RNA，而是一般的生物分子，”Grishaev说。
通过将溶液中子散射收集的新信息添加到溶液 X射线散射和核磁共振光谱中的其他数据，NIST-Maryland小组希望能够更全面地了解DNA和RNA结构，并扩大定义分子的途径基于中子技术的结构。