Structural studies of prephenate dehydratase from Mycobacterium tuberculosis H37Rv by SAXS, ultracentrifugation, and computational analysis

Tuberculosis (TB) is one of the most common infectious diseases known to man and responsible for millions of human deaths in the world. The increasing incidence of TB in developing countries, the proliferation of multidrug resistant strains, and the absence of resources for treatment have highlighted the need of developing new drugs against TB. The shikimate pathway leads to the biosynthesis of chorismate, a precursor of aromatic amino acids. This pathway is absent from mammals and shown to be essential for the survival of Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of TB. Accordingly, enzymes of aromatic amino acid biosynthesis pathway represent promising targets for structure-based drug design. The first reaction in phenylalanine biosynthesis involves the conversion of chorismate to prephenate, catalyzed by chorismate mutase. The second reaction is catalyzed by prephenate dehydratase (PDT) and involves decarboxylation and dehydratation of prephenate to form phenylpyruvate, the precursor of phenylalanine. Here, we describe utilization of different techniques to infer the structure of M. tuberculosis PDT (MtbPDT) in solution. Small angle X-ray scattering and ultracentrifugation analysis showed that the protein oligomeric state is a tetramer and MtbPDT is a flat disk protein. Bioinformatics tools were used to infer the structure of MtbPDT A molecular model for MtbPDT is presented and molecular dynamics simulations indicate that MtbPDT i.s stable. Experimental and molecular modeling results were in agreement and provide evidence for a tetrameric state of MtbPDT in solution.

Interfacial surface charge and free accessibility to the PLA(2)-active site-like region are essential requirements for the activity of Lys49 PLA(2) homologues

Lys49 phospholipase A(2) homologues are highly myotoxic and cause extensive tissue damage but do not display hydrolytic activity towards natural phospholipids. The binding of heparin, heparin derivatives and polyanionic compounds such as suramin result in partial inhibition (up to 60%) of the myotoxic effects due to a change in the overall charge of the interfacial surface. In vivo experiments demonstrate that polyethylene glycol inhibits more than 90% of the myotoxic effects without exhibiting secondary toxic effects. The crystal structure of bothropstoxin-I complexed with polyethylene glycol reveals that this inhibition is due to steric hindrance of the access to the PLA(2)-active site-like region. These two inhibitory pathways indicate the roles of the overall surface charge and free accessibility to the PLA2-active site-like region in the functioning of Lys49 phospholipases A(2) homologues. Molecular dynamics simulations, small angle X-ray scattering and structural analysis indicate that the oligomeric states both in solution and in the crystalline states of Lys49 phospholipases A2 are principally mediated by hydrophobic contacts formed between the interfacial surfaces. These results provide the framework for the potential application of both clinically approved drugs for the treatment of Viperidae snakebites. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Assembling a xylanase-lichenase chimera through all-atom molecular dynamics simulations

Multifunctional enzyme engineering can improve enzyme cocktails for emerging biofuel technology. Molecular dynamics through structure-based models (SB) is an effective tool for assessing the tridimensional arrangement of chimeric enzymes as well as for inferring the functional practicability before experimental validation. This study describes the computational design of a bifunctional xylanase-lichenase chimera (XylLich) using the xynA and bglS genes from Bacillus subtilis. In silico analysis of the average solvent accessible surface area (SAS) and the root mean square fluctuation (RMSF) predicted a fully functional chimera, with minor fluctuations and variations along the polypeptide chains. Afterwards, the chimeric enzyme was built by fusing the xynA and bglS genes. XylLich was evaluated through small-angle X-ray scattering (SAXS) experiments, resulting in scattering curves with a very accurate fit to the theoretical protein model. The chimera preserved the biochemical characteristics of the parental enzymes, with the exception of a slight variation in the temperature of operation and the catalytic efficiency (k cat/Km). The absence of substantial shifts in the catalytic mode of operation was also verified. Furthermore, the production of chimeric enzymes could be more profitable than producing a single enzyme separately, based on comparing the recombinant protein production yield and the hydrolytic activity achieved for XylLich with that of the parental enzymes. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Desenvolvimento de sistemas líquido-cristalinos multifuncionais contendo nanopartículas de TiO2 para proteção solar e liberação controlada de terpinem-4-ol

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Functional and structural studies of the disulfide isomerase DsbC from the plant pathogen Xylella fastidiosa reveals a redox-dependent oligomeric modulation in vitro

Xylella fastidiosa is a Gram-negative bacterium that grows as a biofilm inside the xylem vessels of susceptible plants and causes several economically relevant crop diseases. In the present study, we report the functional and low-resolution structural characterization of the X. fastidiosa disulfide isomerase DsbC (XfDsbC). DsbC is part of the disulfide bond reduction/isomerization pathway in the bacterial periplasm and plays an important role in oxidative protein folding. In the present study, we demonstrate the presence of XfDsbC during different stages of X. fastidiosa biofilm development. XfDsbC was not detected during X. fastidiosa planktonic growth; however, after administering a sublethal copper shock, we observed an overexpression of XfDsbC that also occurred during planktonic growth. These results suggest that X. fastidiosa can use XfDsbC in vivo under oxidative stress conditions similar to those induced by copper. In addition, using dynamic light scattering and small-angle X-ray scattering, we observed that the oligomeric state of XfDsbC in vitro may be dependent on the redox environment. Under reducing conditions, XfDsbC is present as a dimer, whereas a putative tetrameric form was observed under nonreducing conditions. Taken together, our findings demonstrate the overexpression of XfDsbC during biofilm formation and provide the first structural model of a bacterial disulfide isomerase in solution. Structured digital abstract XfDsbC and XfDsbC bind by x ray scattering (View Interaction: 1, 2) XfDsbC and XfDsbC bind by molecular sieving (View interaction) XfDsbC and XfDsbC bind by comigration in non denaturing gel electrophoresis (View interaction) XfDsbC and XfDsbC bind by cross-linking study (View Interaction: 1, 2) XfDsbC and XfDsbC bind by dynamic light scattering (View Interaction: 1, 2)

Structural role of the active-site metal in the conformation of Trypanosoma brucei phosphoglycerate mutase

Phosphoglycerate mutases (PGAMs) participate in both the glycolytic and the gluconeogenic pathways in reversible isomerization of 3-phosphoglycerate and 2-phosphoglycerate. PGAMs are members of two distinct protein families: enzymes that are dependent on or independent of the 2,3-bisphosphoglycerate cofactor. We determined the X-ray structure of the monomeric Trypanosoma brucei independent PGAM (TbiPGAM) in its apoenzyme form, and confirmed this observation by small angle X-ray scattering data. Comparing the TbiPGAM structure with the Leishmania mexicana independent PGAM structure, previously reported with a phosphoglycerate molecule bound to the active site, revealed the domain movement resulting from active site occupation. The structure reported here shows the interaction between Asp319 and the metal bound to the active site, and its contribution to the domain movement. Substitution of the metal-binding residue Asp319 by Ala resulted in complete loss of independent PGAM activity, and showed for the first time its involvement in the enzymes function. As TbiPGAM is an attractive molecular target for drug development, the apoenzyme conformation described here provides opportunities for its use in structure-based drug design approaches.

Dissecting structure-function-stability relationships of a thermostable GH5-CBM3 cellulase from Bacillus subtilis 168

Cellulases participate in a number of biological events, such as plant cell wall remodelling, nematode parasitism and microbial carbon uptake. Their ability to depolymerize crystalline cellulose is of great biotechnological interest for environmentally compatible production of fuels from lignocellulosic biomass. However, industrial use of cellulases is somewhat limited by both their low catalytic efficiency and stability. In the present study, we conducted a detailed functional and structural characterization of the thermostable BsCe15A (Bacillus subtilis cellulase 5A), which consists of a GH5 (glycoside hydrolase 5) catalytic domain fused to a CBM3 (family 3 carbohydrate-binding module). NMR structural analysis revealed that the Bacillus CBM3 represents a new subfamily, which lacks the classical calcium-binding motif, and variations in NMR frequencies in the presence of cellopentaose showed the importance of polar residues in the carbohydrate interaction. Together with the catalytic domain, the CBM3 forms a large planar surface for cellulose recognition, which conducts the substrate in a proper conformation to the active site and increases enzymatic efficiency. Notably, the manganese ion was demonstrated to have a hyper-stabilizing effect on BsCel5A, and by using deletion constructs and X-ray crystallography we determined that this effect maps to a negatively charged motif located at the opposite face of the catalytic site.

FERM domain interaction with myosin negatively regulates FAK in cardiomyocyte hypertrophy

Focal adhesion kinase (FAK) regulates cellular processes that affect several aspects of development and disease. The FAK N-terminal FERM (4.1 protein-ezrin-radixin-moesin homology) domain, a compact clover-leaf structure, binds partner proteins and mediates intramolecular regulatory interactions. Combined chemical cross-linking coupled to MS, small-angle X-ray scattering, computational docking and mutational analyses showed that the FAK FERM domain has a molecular cleft (similar to 998 angstrom(2)) that interacts with sarcomeric myosin, resulting in FAK inhibition. Accordingly, mutations in a unique short amino acid sequence of the FERM myosin cleft, FP-1, impaired the interaction with myosin and enhanced FAK activity in cardiomyocytes. An FP-1 decoy peptide selectively inhibited myosin interaction and increased FAK activity, promoting cardiomyocyte hypertrophy through activation of the AKT-mammalian target of rapamycin pathway. Our findings uncover an inhibitory interaction between the FAK FERM domain and sarcomeric myosin that presents potential opportunities to modulate the cardiac hypertrophic response through changes in FAK activity.

Structure of the haptoglobin-haemoglobin complex

Red cell haemoglobin is the fundamental oxygen-transporting molecule in blood, but also a potentially tissue-damaging compound owing to its highly reactive haem groups. During intravascular haemolysis, such as in malaria and haemoglobinopathies(1), haemoglobin is released into the plasma, where it is captured by the protective acute-phase protein haptoglobin. This leads to formation of the haptoglobin-haemoglobin complex, which represents a virtually irreversible non-covalent protein-protein interaction(2). Here we present the crystal structure of the dimeric porcine haptoglobin-haemoglobin complex determined at 2.9 angstrom resolution. This structure reveals that haptoglobin molecules dimerize through an unexpected beta-strand swap between two complement control protein (CCP) domains, defining a new fusion CCP domain structure. The haptoglobin serine protease domain forms extensive interactions with both the alpha- and beta-subunits of haemoglobin, explaining the tight binding between haptoglobin and haemoglobin. The haemoglobin-interacting region in the alpha beta dimer is highly overlapping with the interface between the two alpha beta dimers that constitute the native haemoglobin tetramer. Several haemoglobin residues prone to oxidative modification after exposure to haem-induced reactive oxygen species are buried in the haptoglobin-haemoglobin interface, thus showing a direct protective role of haptoglobin. The haptoglobin loop previously shown to be essential for binding of haptoglobin-haemoglobin to the macrophage scavenger receptor CD163 (ref. 3) protrudes from the surface of the distal end of the complex, adjacent to the associated haemoglobin alpha-subunit. Small-angle X-ray scattering measurements of human haptoglobin-haemoglobin bound to the ligand-binding fragment of CD163 confirm receptor binding in this area, and show that the rigid dimeric complex can bind two receptors. Such receptor cross-linkage may facilitate scavenging and explain the increased functional affinity of multimeric haptoglobin-haemoglobin for CD163 (ref. 4).

Strukturbildung in dünnen Filmen aus Mischungen statistischer Copolymere

Dünne Polymerfilme besitzen einen weiten Anwendungsbereich in vielen High-Tech Applikationen. All diese Anwendungen erfordern ein bestimmtes Anwendungsprofil des dünnen Films. Diese Anforderungen umschließen sowohl die physikalischen Eigenschaften des Films als auch seine Struktur. Um sie zu realisieren, werden oftmals Mischungsfilme aus verschiedenen Polymeren verwendet. Diese neigen jedoch in vielen Fällen zur bereits während der Präparation zu Phasenseparation.Vor diesem Hintergrund wurde untersucht welchen Einfluss die Verträglichkeit der gemischten Polymere auf die Strukturbildung des dünnen Films ausüben. Als Modellsystem hierfür dienten Mischungen statistischer Poly-styrol-stat-para brom-styrol Copolymere.Die Oberflächenstrukturen, die sich währen der Präparation der Mischungsfilme einstellten, wurden mit Rasterkraftmikroskopie untersucht. wobei die Topologie einer statistischen Analyse unterzogen wurde. Zum einen wurde hierzu die spektrale Leistungsdichte der Oberflächenkontour zum anderen die zugehörigen Minkowski-Funktionale berechnet.Neben Oberflächenstrukturen bilden sich während der Präparation auch Entmischungsstrukturen im inneren des Filmes. Zur Charakterisierung dieser Strukturen wurden die Filme durch Streuung unter streifendem Einfall untersucht. Durch eine modellfreie Interpretation der Streuexperimente gelang der Nachweis der inneren StrukturenFür nur schwach unverträglich Filme konnte auf Basis der Streuexperimente eine Replikation der Oberflächenstruktur des Substrates auf die Filmoberflächen nachgewiesen werden. Diese Replikation wurde für verschieden raue Substrate und bezueglich der Kinetik ihrer Abnahme beim Quellen der Filme untersucht.

Untersuchung der Strukturdynamik arbeitender F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus in Einzelschußexperimenten mit Synchrotronstrahlung

ZusammenfassungDie ATP-Synthase koppelt im Energiestoffwechsel der Zellen den Protonentransport über die biologische Membran mit der Synthese des energiespeichernden Moleküls ATP aus ADP und Phosphat. ATP-Synthasen bestehen aus 2 Subkomplexen, wobei der katalytische F1-Teil von der membranständigen Domäne abgelöst werden kann und nur zur ATP-Hydrolyse fähig ist. Der hochkooperative Reaktionsmechanismus der dreizentrigen ATP-Synthasen ist weitgehend unklar.Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ATP-Synthasekomplex und ihr wasserlösliches katalytisches F1-Fragment aus Micrococcus luteus in präparativem Maßstab mittels chromatographischer Trennmethoden isoliert. Die Überprüfung der Funktionalität beider Enzyme erfolgte mit enzymatischen Methoden. Durch zeitaufgelöste Röntgenkleinwinkelstreuung wurde die Strukturdynamik der arbeitenden ATP-Synthase und ihres F1-Fragmentes aus Micrococcus luteus im Laufe des ATP-Hydrolysezyklus untersucht. Diese Methode diente zum Nachweis weiträumiger Konformationsänderungen innerhalb der arbeitenden Enzyme unter nativen physiologischen Bedingungen. Die zeitaufgelösten Streuexperimente fanden an der ESRF (Europäische Synchrotronstrahlungsquelle) in Grenoble (F) statt. Dort wurden für beide Enzyme im Laufe des ATP-Hydrolysezykus molekulare Bewegungen nachgewiesen. Als Referenz zu den zeitaufgelösten Messungen dienten statische Messungen zur Strukturuntersuchung der Proteine am schwächeren DESY. Anhand dieser Strukturdaten wurden Molekülmodelle der F1-ATPase und ATP-Synthase aus Micrococcus luteus konstruiert. Das Molekülmodell der F1-ATPase war die Grundlage zur Modellierung einzelner Teilschritte des ATP-Hydrolysezyklus bei 20°C. Die experimentellen Daten wurden mit einer Kippbewegung der membranseitigen Domäne der katalytischen b-Untereinheiten der F1-ATPase während des ATP-Hydrolysezyklus interpretiert.

Untersuchungen zur Verfestigungskinetik in Suspensionen kolloidaler Partikel

Kolloidale Suspensionen, bei denen man die kolloidalen Teilchen als "Makroatome" in einem Kontinuum aus Lösungsmittelmolekülen auffaßt, stellen ein geeignetes Modellsystem zur Untersuchung von Verfestigungsvorgängen dar. Auf Grund der typischen beteiligten Längen- und Zeitskalen können Phasenübergänge bequem mit optischen Verfahren studiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Kinetik der Kristallisation in drei kolloidalen Systemen unterschiedlicher Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung mit Lichtstreu- und mikroskopischen Methoden untersucht. Zur Untersuchung von Suspensionen aus sterisch stabilisierten PMMA-Teilchen, die in guter Näherung wie harte Kugeln wechselwirken, wurde ein neuartiges Laserlichtstreuexperiment aufgebaut, das die gleichzeitige Detektion von Bragg- und Kleinwinkelstreuung an einer Probe erlaubt. Damit konnte der zeitliche Verlauf der Kristallisation verfolgt sowie u.a. Nukleationsraten und erstmals auch Wachstumsgeschwindigkeiten bestimmt werden; diese wurden mit klassischer Nukleationstheorie sowie Wilson-Frenkel-Wachstum verglichen. In beiden Fällen konnte sehr gute Übereinstimmung mit der Theorie festgestellt werden. In Systemen geladener Partikel wurden mit Bragg-Mikroskopie die Wachstumsgeschwindigkeiten heterogener, an der Wand der Probenzelle aufwachsender Kristalle untersucht. Die Anpassung eines Wilson-Frenkel-Wachstumsgesetzes gelingt auch hier, wenn man die dazu eingeführte reskalierte Energiedichte auf den Schmelzpunkt bezieht. Geeignete Reskalierung der Daten erlaubt den Vergleich mit den Hartkugelsystemen. Zum ersten Mal wurde die Kristallisationskinetik in zwei verschiedenen kolloidalen binären Mischungen bestimmt und ausgewertet: In Beimischungen einer nichtkristallisierenden Teilchensorte zu einer kristallisierenden Suspension konnten die Daten mit einem modifizierten Wilson-Frenkel-Gesetz beschrieben werden, während in Mischungen aus zwei kristallisierenden Partikelsystemen eine unerwartet hohe Abnahme der Wachstumsgeschwindigkeiten beobachtet wurde. Kolloidale Suspensionen hartkugelähnlicher Mikrogel-Partikel konnten mit Hilfe des Lichtstreuaufbaues ebenfalls zum ersten Mal untersucht werden. Es wurde eine ähnliche Kristallisationskinetik wie in den PMMA-Systemen gefunden, jedoch auch einige wichtige Unterschiede, die insbesondere den Streumechanismus im Kleinwinkelbereich betrafen. Hier wurden verschiedene Interpretationsvorschläge diskutiert.

Synthese und Charakterisierung photoschaltbarer Gelbildner

Zusammenfassung Um photoschaltbare Gelbildner zu synthetisieren wurde auf bereits bekannte Gelbildner zurückgegriffen und eine Azobenzolgruppe, als photoschaltbare Einheit eingebaut. Die Modifizierung der Alkylsemicarbazide führte zu 7 Azosemicarbaziden (36-42), die alle gelbildende Eigenschaften haben. Die Gele des Alkylsemicarbazids 1 und der Azosemicarbazide 37 und 38 erwiesen sich als die stabilsten, weshalb an ihnen die meisten Untersuchungen durchgeführt wurden. Ihre Struktur ist in Abbildung 1 noch einmal aufgeführt. Die Alkylsemicarbazide vergelen Toluol, 1,2-Dichlorbenzol, Decalin, Tetralin und Cyclohexan. Die minimalen Gelbildnerkonzentration geht dabei von ~0,5 Gew.% für Toluol bis ~10 Gew.% für Tetralin und Cyclohexan. Die Azosemicarbazide 36-40 vergelen Toluol und Tetralin mit ~10 Gew.%, 1,2-Dichlorbenzol und Decalin mit ~4-7 Gew.Durch den Vergleich verschiedener Kristallstrukturen (von 1, 5, 19 und 43) und einer Röntgenkleinwinkelmessung eines Gels wurden zwei mögliche Kristallstrukturen für 37 vorgestellt. Die Tatsache, dass die IR-Spektren aller Semicarbazide im Bulk und als Gel sehr ähnliche Absorptionsbanden im Bereich der N-H-Schwingungen besitzen, zeigt, dass das vorgestellt Wasserstoffbrückenmotiv (Kapitel 4.1, Schema 4.1) für alle Semicarbazide nahezu gleich ist. Des Weiteren konnte ein Zusammenhang von der minimalen Gelbildner-konzentration, dem Schmelzpunkt und der Struktur des Gelnetz-werks gefunden werden. Je feiner das Netzwerk und damit je größer die Oberfläche, desto niedriger die minimale Gelbildnerkonzentration und desto niedriger der Schmelzpunkt der Gele. Gele mit Decalin fallen dabei durch eine andere Morphologie und besonders hohe Schmelzpunkte auf (Abbildung 2). Die Photoschaltbarkeit wurde im Gel mit organischen Lösungsmitteln und mit den Flüssigkristallmischungen durch UV/Vis-Messungen, Polarisationsmikroskopie, sowie durch die Bestimmung der Schaltzeiten und der Schwellspannung für LC II-Gele nachgewiesen. Erste dielektrische Messungen an einem LC II-Gel zeigen, dass die Goldstone-Mode im Gel unterdrück wird. Diese Ergebnisse sollen mit weiteren Untersuchungen untermauert werden.

Die Verbindung von Kleinwinkelstreuung und in silico-Methodik zur Aufklärung von Konformationswechseln großer Proteinkomplexe

In dieser Dissertation wurden die Methoden Homologiemodellierung und Molekulardynamik genutzt, um die Struktur und das Verhalten von Proteinen in Lösung zu beschreiben. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung wurden die mit den Computermethoden erzeugten Vorhersagen verifiziert. Für das alpha-Hämolysin, ein Toxin von Staphylococcus aureus, das eine heptamere Pore formen kann, wurde erstmalig die monomere Struktur des Protein in Lösung beschrieben. Homologiemodellierung auf Basis verwandter Proteine, deren monomere Struktur bekannt war, wurde verwendet, um die monomere Struktur des Toxins vorherzusagen. Flexibilität von Strukturelementen in einer Molekulardynamiksimulation konnte mit der Funktionalität des Proteines korreliert werden: Intrinsische Flexibilität versetzt das Protein in die Lage den Konformationswechsel zur Pore nach Assemblierung zu vollziehen. Röntgenkleinwinkelstreuung bewies die Unterschiede der monomeren Struktur zu den Strukturen der verwandten Proteine und belegt den eigenen Vorschlag zur Struktur. Überdies konnten Arbeiten an einer Mutante, die in einer sogenannten Präporenkonformation arretiert und nicht in der Lage ist eine Pore zu formen, zeigen, dass dieser Übergangszustand mit der Rotationsachse senkrecht zur Membran gelagert ist. Eine geometrische Analyse beweist, dass es sterisch möglich ist ausgehend von dieser Konformation die Konformation der Pore zu erreichen. Eine energetische und kinetische Analyse dieses Konformationswechsels steht noch aus. Ein weiterer Teil der Arbeit befasst sich mit den Konformationswechseln von Hämocyaninen. Diese wurden experimentell mittels Röntgenkleinwinkelstreuung verfolgt. Konformationswechsel im Zusammenhang mit der Oxygenierung konnten für die 24meren Hämocyanine von Eurypelma californicum und Pandinus imperator beschrieben werden. Für eine Reihe von Hämocyaninen ist nachgewiesen, dass sie unter Einfluss des Agenz SDS Tyrosinaseaktivität entfalten können. Der Konformationswechsel der Hämocyanine von E. californicum und P. imperator bei der Aktivierung zur Tyrosinase mittels SDS wurde experimentell bestätigt und die Stellung der Dodekamere der Hämocyanine als wesentlich bei der Aktivierung festgestellt. Im Zusammenhang mit anderen Arbeiten gilt damit die Relaxierung der Struktur unter SDS-Einfluss und der sterische Einfluss auf die verbindenden Untereinheiten b & c als wahrscheinliche Ursache für die Aktivierung zur Tyrosinase. Eigene Software zum sogenannten rigid body-Modellierung auf der Basis von Röntgenkleinwinkelstreudaten wurde erstellt, um die Streudaten des hexameren Hämocyanins von Palinurus elephas und Palinurus argus unter Einfluss der Effektoren Urat und Koffein strukturell zu interpretieren. Die Software ist die erste Implementierung eines Monte Carlo-Algorithmus zum rigid body-Modelling. Sie beherrscht zwei Varianten des Algorithmus: In Verbindung mit simulated annealing können wahrscheinliche Konformationen ausgefiltert werden und in einer anschließenden systematischen Analyse kann eine Konformation geometrisch beschrieben werden. Andererseits ist ein weiterer, reiner Monte Carlo-Algorithmus in der Lage die Konformation als Dichteverteilung zu beschreiben.

Preliminary approach to neutron instrument selecction at ESSB-Bilbao based on experience at ISIS molecular spectroscopy group

Collaborative efforts between the Neutronics and Target Design Group at the Instituto de Fusión Nuclear and the Molecular Spectroscopy Group at the ISIS Pulsed Neutron and Muon Source date back to 2012 in the context of the ESS-Bilbao project. The rationale for these joint activities was twofold, namely: to assess the realm of applicability of the low-energy neutron source proposed by ESS-Bilbao - for details; and to explore instrument capabilities for pulsed-neutron techniques in the range 0.05-3 ms, a time range where ESS-Bilbao and ISIS could offer a significant degree of synergy and complementarity. As part of this collaboration, J.P. de Vicente has spent a three-month period within the ISIS Molecular Spectroscopy Group, to gain hands-on experience on the practical aspects of neutron-instrument design and the requisite neutron-transport simulations. To date, these activities have resulted in a joint MEng thesis as well as a number of publications and contributions to national and international conferences. Building upon these previous works, the primary aim of this report is to provide a self-contained discussion of general criteria for instrument selection at ESS-Bilbao, the first accelerator-driven, low-energy neutron source designed in Spain. To this end, Chapter 1 provides a brief overview of the current design parameters of the accelerator and target station. Neutron moderation is covered in Chapter 2, where we take a closer look at two possible target-moderator-reflector configurations and pay special attention to the spectral and temporal characteristics of the resulting neutron pulses. This discussion provides a necessary starting point to assess the operation of ESSB in short- and long-pulse modes. These considerations are further explored in Chapter 3, dealing with the primary characteristics of ESS-Bilbao as a short- or long-pulse facility in terms of accessible dynamic range and spectral resolution. Other practical aspects including background suppression and the use of fast choppers are also discussed. The guiding principles introduced in the first three chapters are put to use in Chapter 4 where we analyse in some detail the capabilities of a small-angle scattering instrument, as well as how specific scientific requirements can be mapped onto the optimal use of ESS-Bilbao for condensed-matter research. Part 2 of the report contains additional supporting documentation, including a description of the ESSB McStas component, a detailed characterisation of moderator response and neutron pulses, and estimates ofparameters associated with the design and operation of neutron choppers. In closing this brief foreword, we wish to thank both ESS-Bilbao and ISIS for their continuing encouragement and support along the way.