An investigation on the denaturation process of human growth hormone induced by non-ionic surfactants

Abstract

The use of surfactants in the industry covers a wide field with a lot of different applications. Due to the characteristic structure of surfactants they are able to interact with biomolecules such as proteins, where interactions may result in either devastating or lifesaving effects.
Devastating in the sense of those surfactants may alter the protein structure and dynamics, which in turn will affect the interaction mechanism with the receptor and subsequently the biological function of the protein may be lost. A much better outcome would be lifesaving where the addition of surfactants can promote interactions between the protein and the receptor and additionally stabilise the protein structure. A fine balance governs this phenomenon and its implications, and a significant effort is paid to find better approaches to ensure the stability of biomolecules though surfactant-based formulation.

The interaction between the non-ionic surfactants Octaethylene Glycol Monododecyl ether, n-Dodecyl-β-D-Maltoside and Polysorbate-20 to human Growth Hormone has been investigated in this thesis using different analysing techniques. The anionic surfactant Sodium Dodecylsulfate has been included in the investigation in order to compare the behaviour of non-ionic surfactants, usually considered as a mild option for pharmaceutical formulations, with the effect of an anionic on the stability of the protein. To be able to monitor protein-surfactant interactions and protein structural changes, the chosen techniques for this purpose were isothermal titration calorimetry, circular dichroism and surface tension.

The isothermal titration calorimetry data reveals that conformational changes of the protein structure are promoted by the monomer shape of the non-ionic surfactants, where the micelle form plays an important role for the unfolding promoted by sodium dodecylsulfate. According to the circular dichroism results, the secondary structure of human growth hormone is not affected by the non-ionic surfactants, although the tertiary structure of the protein is affected by certain surfactant-to-protein ratios. The data obtained for the anionic surfactant show that both the secondary and the tertiary structures are affected upon surfactant addition. The critical micelle concentration and critical association concentration were determined using surface tension, which for the non-ionic surfactants show much lower values than the anionic amphiphile.

In a general comparison between the non-ionic surfactants the characteristics of protein in solution seem to be affected least by the maltoside surfactant, whereas polysorbate shows a variety of different interactions, probably due to the polydispersity of this compound. The use of this information opens new possibilities in terms of human growth hormone formulation, where non-ionic surfactants are preferred and the use of dodecylmaltoside is encouraged due to its small impact of protein structure and sustainable character.

Abstract (Swedish)

Användningen av ytaktiva ämnen i industrin sträcker sig över många olika användningsområden med en mängd tillämpningar. Detta möjliggörs på grund utav den karakteristiska tvådelade amfifila strukturen, vilket leder till mycket specifika och unika egenskaper. Ett tillämpningsområde är exempelvis inom läkemedelsformulering där de interagerar med biomolekyler, såsom proteiner. Att addera ytaktiva ämnen till en proteinbaserad läkemedelformulering kan resultera i både gynnsamma och ogynnsamma utfall. Växelverkan som uppstår kan komma att förändra proteinstrukturen och dynamiken vilket i sin tur kan påverka interaktionsmekanismen med den tänkta receptorn och i värsta fall kan proteinets biologiska funktion gå förlorad. Tillsatsen av ytaktiva ämnen kan dessutom motsatsvis främja interaktioner mellan proteinet och receptorn och bidra till stabilisering av proteinstrukturen. Det har även konstaterats att tillsatsen av ytaktiva ämnen kan hindra protein från att adsorbera till ytor och gränsytor och även förhindra aggregation av flera proteinmolekyler. En fin gräns styr dessa samspel och konsekvenser, och en ansedd insats läggs på forskning för att säkerställa stabiliteten hos biomolekyler i ytaktivbaserad proteinformulering.

Samspelet mellan de icke-joniska ytaktiva ämnena oktaetylenglykolmonododecyleter, n-dodecyl-β-D-maltosid och polysorbat-20 till humant tillväxthormon har undersökts i detta arbete med hjälp av olika analytiska tekniker. Det anjoniska ytaktiva ämnet natriumdodecylsulfat har inkluderats i arbetet för att jämföra effekter på proteinstabiliteten mellan icke-joniska och anjoniska ytaktiva ämnen. För att kunna studera samspelet mellan humant tillväxthormon och de ytaktiva ämnena samt potentiella förändringar i proteinstruktur har följande tekniker valts ut och använts: isotermisk titreringskalorimetri, cirkulär dikroism-spektroskopi och ytspänningsanalyser.

Resultaten från den isotermiska titreringskalorimetrin indikerar på att strukturförändringar av humant tillväxthormon förekommer till följd av monomerformen hos de icke-joniska amfifilen, där istället micellformen har stor betydelse för den anjoniska påverkan. Resultaten från de cirkulära dikroism-spekroskopin visar att den tertiära strukturen av humant tillväxthormon påverkas av vissa specifika förhållanden mellan icke-joniska ytaktiva ämne och protein, däremot påverkas inte de sekundära strukturerna. Resultaten för det anjoniska amfifilen visar att både de sekundära och de tertiära strukturerna påverkas i stor utsträckning. Den kritiska micellkoncentrationen och den kritiska associationskoncentrationen bestämdes med hjälp av att undersöka ytspänningen, som för de icke-joniska ytaktiva ämnena uppvisar mycket lägre värden än den anjoniska.

En generell jämförelse mellan de icke-joniska ytaktiva ämnena indikerar på att egenskaperna hos humant tillväxthormon påverkas minst av maltosiden, medan polysorbat uppvisar en mängd olika interaktioner, troligen på grund av polydispersiteten hos denna förening. Tillgången till denna information öppnar upp för nya möjligheter när det gäller läkemedelsformulering med humant tillväxthormon, där icke-joniska ytaktiva ämnen föredras och användningen av dodecylmaltosid främjas på grund av dess smärre påverkan på proteinstrukturen och dess hållbara karaktär.

Popular Abstract (Swedish)

En djupgående studie med fokus på hur ytaktiva ämnen kan påverka humant tillväxthormon.
Ett ytaktivt ämne är ett ämne som är uppdelat i två delar, varav den ena delen består utav en lång icke-vattenlöslig del,medan den andra delen utgörs av en vattenlöslig del.

• author: Lindberg, Johanna
• supervisor: Adrian Sanchez-Fernandez
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.)
• course: KLGM15 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Pharmaceutical technology, Surfactants, Non-ionic surfactants, Protein interactions, Human growth hormone: Läkemedelsteknologi
• language: English
• id: 8973979
• date added to LUP: 2019-05-20 09:51:58
• date last changed: 2019-05-20 09:53:32