Ein neuer Ansatz zur Untersuchung von Cosolventieneffekten

Die Kontrolle des Destabilisierungsprozesses ist wichtig, wenn die Entfaltung und Rückfaltung von Proteinen in vitro (außerhalb ihrer natürlichen Umgebung) manipuliert werden soll. Zu diesem Zweck werden Harnstoff und Alkohol als Cosolventien eingesetzt, also Substanzen, die in kleinen Mengen zusammen mit Wasser hinzugefügt werden, um Proteine ​​zu destabilisieren und zu denaturieren.

Harnstoff stört ein natives Protein und erzeugt ungeordnete Knäuel, und die Störung durch Alkoholbehandlung führt zu helikalen Strukturen. Untersuchungen zum Mechanismus von Co-Lösungsmitteln haben gezeigt, dass die Stabilität eines Proteins zwischen seinem nativen und dem denaturierten Zustand davon abhängt, wie das Co-Lösungsmittel an jeden Zustand bindet.

Die Bindung eines Cosolvens an den nativen oder denaturierten Zustand eines Proteins wird durch bevorzugte Bindungsparameter (PBPs) gesteuert – spezifische Wechselwirkungen mit dem Protein. Leider sind die molekularen Mechanismen, die die Proteinstabilität in Gegenwart eines Cosolvens beeinflussen, nicht vollständig geklärt.

Aber ist es möglich, die Unterschiede zwischen der Wechselwirkung von Colösungsmitteln wie Harnstoff und Alkohol mit einem Protein genau zu bestimmen? Ein Forscherteam aus Japan ist dieser Frage kürzlich mit einem Tool nachgegangen, das erklärt, wie Co-Lösungsmittel mit einem Protein interagieren und die überaus wichtige Bindungsbeziehung zwischen Protein, Wasser und Co-Lösungsmittel vorhersagt.

„Wir wollten einen tieferen Einblick in die Art und Weise gewinnen, wie ein Cosolvens den nativen oder denaturierten Zustand eines Proteins in Lösung stabilisiert. Deshalb nutzten wir Computersimulationen, um die PBPs zu bestimmen und aufzudecken, wie Harnstoff und 2,2,2-Trifluorethanol (TFE) ihren gegensätzlichen Zustand hervorrufen.“ Cosolvent-Effekte“, sagt Teamleiter Tomonari Sumi, außerordentlicher Professor am Forschungsinstitut für interdisziplinäre Wissenschaft der Universität Okayama.

Darüber hinaus waren Frau Noa Nakata und Dr. Kenichiro Koga von der Universität Okayama, Dr. Ryuichi Okamoto von der Universität Hyogo, Dr. Takeshi Morita von der Universität Chiba und Dr. Hiroshi Imamura vom Nagahama Institute of Bio-Science and Technology beteiligt die Forschung und fungierten als Co-Autoren dieser in veröffentlichten Studie Proteinwissenschaft.

Das Team untersuchte die Colösungsmittel-abhängige Stabilität zwischen nativem und denaturiertem Zustand im Hefeprotein GCN4-p1, das eine wohldefinierte native Struktur aufweist, die aus Knäueln und Helices besteht. Dies machte es ideal für die Untersuchung der Helixstabilisierung von TFE und der Spulenstabilisierung von Harnstoff in Gegenwart von Wasser mithilfe von Molekulardynamiksimulationen, einer rechnerischen Methode zur Vorhersage der Bewegung von Atomen in einem Protein über einen bestimmten Zeitraum.

„Wir konnten die geeignete überschüssige bevorzugte Bindung (EPB) für beide Colösungsmittel vorhersagen. Erstens führten elektrostatische Wechselwirkungen zwischen TFE und den Seitenketten der GCN4-p1-Helices zu EPB, wodurch die Helices stabilisiert wurden. Zweitens führten Dispersion und elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Harnstoff und „Die Windungen der Hauptketten von GCN4-p1 trugen zum EPB bei und stabilisierten die Windungen“, erklärt Dr. Sumi.

Darüber hinaus wurden die Simulationsdaten der Gruppe mit experimentellen Daten zur Helix- und Spulenstabilisierung für TFE und Harnstoff bestätigt. Auf diese Weise zeigte das Team, dass diese Wechselwirkungen gegensätzliche Cosolventeffekte hervorrufen. Im Kontext der dreieckigen Protein-Colösungsmittel-Wasser-Beziehung wurden die Hydroxylgruppen von TFE an die polaren Seitenketten des Proteins gezogen, während Harnstoff bevorzugt an das Peptidrückgrat des Proteins gebunden wurde. Dies war ein bedeutender Befund, da man die möglichen strukturellen Veränderungen, die ein Colösungsmittel hervorrufen kann, effektiv vorhersagen kann.

Das Team ist von den umfassenderen Auswirkungen ihrer Forschung begeistert, da sie das Problem des Cosolvent-Screenings durch die Nutzung von Rechenressourcen löst. „Wir sind zuversichtlich, dass diese Erkenntnisse für die Proteinstabilisierung in Industrie und Medizin Früchte tragen werden. Die in dieser Studie angewandten Analysemethoden verkürzen die Zeit, die erforderlich ist, um zu verstehen, wie Cosolventien die strukturelle Stabilität eines Proteins beeinflussen, erheblich. Dies kann uns helfen, die traditionelleren Methoden zu umgehen.“ erfordern zeitaufwändige Berechnungen der freien Energie“, schließt Dr. Sumi.