Protein-Polymer Interaction and Association in Aqueous Solution

Abstract

The aim of this thesis has been to study protein-polymer interaction and association. Two different techniques were used; Monte Carlo simulations were combined with partitioning in polymeric aqueous two-phase systems.



Monte Carlo simulations have been used to evaluate the hydrophobic interaction in electrolyte solution. The results showed that monovalent salt only slightly increases the hydrophobic interaction whereas divalent salt drastically increases the hydrophobic interaction.



In two subsequent studies the effect of protein surface hydrophobicity on protein-polymer association was investigated. The surface hydrophobicity was kept constant, while the distribution was altered from a heterogeneous to homogenous. In these studies it was established that proteins with a more heterogeneous surface hydrophobicity adsorb weakly hydrophobic polymer better than proteins with homogenous surface distributions. It was also shown that this also applies independently of polymer concentration, chain length, and chain flexibility.



Protein adsorption to polymer-grafted surfaces was investigated with lattice Monte Carlo simulations. The free energy difference between protein adsorption to surfaces with and without end-grafted polymers was determined under different conditions. The effect of several different properties was examined, such as grafting density, chain length, protein size, and hydrophobicity of the protein, polymer and surface. The results showed that longer polymer chains and higher grafting densities reduce protein adsorption. Furthermore, the study also showed that hydrophilic polymers are better in preventing adsorption of large proteins, whereas hydrophobic polymers are better in preventing adsorption of small proteins.



Protein-polymer association was also studied in polymeric aqueous two-phase systems containing a cationic hydrophobically modified polymer and sodium dodecyl sulfate (SDS). It was shown that it is possible to direct the proteins either to top or bottom phase depending on their net charge. Negatively charged BSA was shown to partition to the cationic polymer phase, whereas positively charged lysozyme was shown to partition to the polymer-depleted phase. In systems of both cationic polymer and SDS a net negatively charged polymer surfactant complex was formed. Here BSA was partitioned to the polymer/SDS depleted phase, while lysozyme was partitioned to the polymer/SDS phase.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Syftet med den här avhandlingen har varit att studera association och växelverkan mellan proteiner och polymerer. Två olika tekniker har använts i dessa studier; datorsimuleringar och fördelning i polymera vattenhaltiga tvåfassystem.



Vikten av att studera protein-polymer-växelverkan ligger i att flera biotekniska, och medicinska tillämpningar baserar sig just på protein-polymer-växelverkan. Flera separationstekniker för proteiner utnyttjar växelverkan mellan proteiner och polymerer, i synnerhet kromatografi, utfällning med polymerer och polymera tvåfassystem. Inom medicinska tillämpningar kan polymerer användas för att minska immunresponsen, genom att binda polymerer till ett läkemedelsprotein. Association av protein och polymerer är även vanligt förekommande i biologiska system, där DNA och cellulosa-bindande proteiner är exempel på proteiner som binder specifikt till två olika polymerer; DNA och cellulosa.



Vattenhaltiga tvåfassystem är en experimentell teknik som kan användas för upprening av proteiner. Ett tvåfassystem består av en eller två olika typer av polymerer som blandas i vatten, och därefter separerar till två vattenrika faser. För att kunna rena ett protein med hjälp av ett tvåfassystem vill man att målproteinet ska fördela sig till ena fasen och förorenande molekyler till den andra fasen. För att uppnå bästa möjliga separation av föroreningar och målprotein är det därför av stor vikt att känna till hur proteinet och polymererna växelverkar. I denna avhandlingen har ett tvåfassystem som består av en fas med en positivt laddad polymer och en fas med vatten använts. I detta tvåfassystem har vi visat att negativt laddade proteiner går till den positiva polymerfasen medan positivt laddade proteiner föredrar den polymerfria vattenfasen. Genom att ändra pH eller genom att tillsätta en negativt laddad detergent kunde fördelningen av protein styras mellan polymer- och vattenfasen.



Datorsimuleringar är en metod som man kan använda för att förklara fundamentala effekter hos molekylära system. I en simulering skapar man modeller av molekylerna som man vill studera. Modellsystem används sedan för att studera molekylers uppträdande och egenskaper. En fördel med datorsimuleringar är att man kan genomföra experiment som är svåra eller



omöjliga att utföra laborativt. Till exempel har man möjlighet att ändra egenskaper hos molekyler som inte är möjligt experimentellt. Det kan även vara en fördel att utföra datorsimuleringar om man är intresserad av egenskaper hos giftiga molekyler som är svåra att hantera i ett laboratorium. Den simuleringsmetod som har använts i den här avhandlingen kallas för Monte Carlo. Namnet Monte Carlo anknyter till att metoden använder sig av slumptal precis som spelen på kasinot i Monte Carlo. Med hjälp av Monte Carlo simuleringar har vi studerat hur proteinytors hydrofobicitet påverkar växelverkan med en svagt hydrofob polymer. I dessa studier har vi visat att associationen ökar för proteiner där de hydrofoba aminosyrorna är ansamlade i grupper jämfört med proteiner med jämn fördelning av aminosyrorna.



Vi har även använt Monte Carlo simuleringar för att studera proteiners adsorption till ytor klädda med polymerer. I denna studie undersöktes inverkan av polymerernas längd, polymertäthet, proteinstorlek och den relativa hydrofobiciteten hos proteinet, polymererna och ytan. Resultaten visade att hög polymertäthet och långa polymerer reducerar proteinadsorption. Studien visade även att större proteiner adsorberar bättre till ytor med hydrofoba polymerer medan mindre proteiner adsorberar bättre till ytor med hydrofila polymerer.

• author: Jönsson, Malin
• supervisor: Folke Tjerneld; Per Linse
• opponent: Dr. de Vries, Renko, Laboratory of Physical Chemistry and Colloid Science, Wageningen University, The Netherlands.
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Physical chemistry, Fysikalisk kemi, Makromolekylär kemi, Macromolecular chemistry, enzymologi, Proteiner, enzymology, Proteins, Aqueous two-phase systems, Monte Carlo Simulations, hydrophobic effect, surface hydrophobicity, plasmid DNA, Protein, polymer
• defense location: Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingev 60, 222 41 Lund, room C
• defense date: 2005-01-14 10:15:00
• ISBN: 91-7422-069-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Malin Jönsson, Marie Skepö and Per Linse. 2004. Monte Carlo Simulations of the Hydrophobic Effect in Electrolyte Solution Departments of Biochemistry and Physical Chemistry 1 (manuscript); Malin Jönsson, Marie Skepö, Folke Tjerneld and Per Linse. 2003. Effect of Spatially Distributed Hydrophobic Surface Residues on Protein-Polymer Association Journal of Physical Chemistry B., vol 107 pp 5511. ACS (manuscript); Malin Jönsson and Per Linse. 2004. Structure and Thermodynamics of Protein-Polymer Solutions; Effects of Spatially Distributed Hydrophobic Surface Sites Departments of Biochemistry and Physical Chemistry 1 (submitted); Malin Jönsson and Hans-Olof Johansson. 2004. Effect of Surface Grafted Polymers on the Adsorption of Different Model Proteins Colloid and Surfaces B: Biointerfaces, vol 37 pp 71. Elsevier; Malin Jönsson and Hans-Olof Johansson. 2003. Protein Partitioning in Thermoseparating Systems of a Charged Hydrophobically Modified Ethylene Oxide Polymer Journal of Chromatography A, vol 983 pp 133. Elsevier; Cecilia Kepka, Katja Bernfur, Malin Jönsson and Folke Tjerneld. 2004. Mechanisms Determining Phase Partitioning of Plasmid DNA in Polymer/Polymer Aqueous Two-Phase Systems Department of Biochemistry, Lund University (submitted)
• id: d070c814-6645-4a26-805a-2ea2de67d227 (old id 544174)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:33:33
• date last changed: 2018-11-21 21:05:39