Advanced

Switching on and off the patch-patch attraction of lactoferrin

Gustafsson, Emil LU (2017) KEMR37 20162
Department of Chemistry
Abstract
In this work, lactoferrin was studied as a function of pH, starting at a low pH of 5.5 with 5 mM salt, in terms of interactions and dynamics with small angle X-ray scattering (SAXS), static and dynamic light scattering (SLS and DLS). Under these conditions lactoferrin was expected and found to have a strong electrostatic repulsion and behaved similar to an isotropic colloid. The glass transition was under these conditions determined to occur at a volume fraction of 0.32. Any effect of high protein concentration on lactoferrins secondary structure was investigated by circular dichroism (CD) and concentrations close to the glass transition (440 mg/mL) and no effect on secondary structure was found.

At pH where patch-patch attractions are... (More)
In this work, lactoferrin was studied as a function of pH, starting at a low pH of 5.5 with 5 mM salt, in terms of interactions and dynamics with small angle X-ray scattering (SAXS), static and dynamic light scattering (SLS and DLS). Under these conditions lactoferrin was expected and found to have a strong electrostatic repulsion and behaved similar to an isotropic colloid. The glass transition was under these conditions determined to occur at a volume fraction of 0.32. Any effect of high protein concentration on lactoferrins secondary structure was investigated by circular dichroism (CD) and concentrations close to the glass transition (440 mg/mL) and no effect on secondary structure was found.

At pH where patch-patch attractions are dominating, attractions were investigated by measuring second virial coefficients and collective diffusion. On approaching the isoelectric point, lactoferrins patch attraction was found to be stronger as well as active over a wider range with respect to ionic strength. At pH 9, the expected repulsion at low ionic strength is gone and attractions decreased as a function of ionic strength. This behavior can, in part, be attributed to a Kirkwood-Schumaker interaction, expected to occur for proteins with high capacitance and close to the isoelectric point which is the case here. In addition, investigation of stripe-like nanostructures under patchy conditions were imaged using fluorescence microscopy. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Proteiner är stora biomolekyler som finns i alla levande organismer. De är uppbyggda av ett antal byggstenar, så kallade aminosyror med varierande egenskaper, och de utför många uppgifter som är essentiella för att liv skall kunna finnas. Hur proteiner interagerar med varandra och sin omgivning styr deras beteende vilket i sin tur är relaterat till deras funktion. Att förstå dessa interaktioner är av stor vikt för att förstå proteiners komplicerade beteende. Proteiner har i regel en ojämn interaktionsyta, där olika områden på ytan interagerar med omgivningen på olika sätt. För att kunna få ökad förståelse för hur sådana interaktioner fungerar så har modellproteinet laktoferrin, som har två interaktionsområden, studerats. En mindre del av... (More)
Proteiner är stora biomolekyler som finns i alla levande organismer. De är uppbyggda av ett antal byggstenar, så kallade aminosyror med varierande egenskaper, och de utför många uppgifter som är essentiella för att liv skall kunna finnas. Hur proteiner interagerar med varandra och sin omgivning styr deras beteende vilket i sin tur är relaterat till deras funktion. Att förstå dessa interaktioner är av stor vikt för att förstå proteiners komplicerade beteende. Proteiner har i regel en ojämn interaktionsyta, där olika områden på ytan interagerar med omgivningen på olika sätt. För att kunna få ökad förståelse för hur sådana interaktioner fungerar så har modellproteinet laktoferrin, som har två interaktionsområden, studerats. En mindre del av laktoferrins yta, en så kallad patch, har en attraktiv interaktion med motsvarande del på en annan laktoferrin molekyl. Resterande del av proteinet har istället en frånstötande, repulsiv, interaktion och dessa två konkurrerar med varandra. Vid låga salthalter är den repulsiva interaktionen starkare men vid tillsats av mer salt så blir attraktionen istället dominant. När salt tillsätts bortom denna punkt blir även attraktionen allt svagare och vid höga salthalter försvinner den helt. Patchen leder till att kluster av två laktoferrin molekyler bildas när koncentrationen av laktoferrin ökas.

Laktoferrins patch attraktion studerades för att få djupare insikt i vad som styr styrkan på attraktionen och hur denna kan kontrolleras. För att göra detta etablerades först en referens under förhållanden där patchen inte är aktiv, det vill säga vid lågt pH och låg salthalt, där laktoferrin karaktäriserades. Attraktionen slogs sedan på genom att öka pH och salthalt och interaktionsstyrkan kvantifierades under olika pH och salthalt. När pH ökas, minskar det totala antalet laddningar på proteinets yta vilket leder till en svagare repulsiv interaktion och i gengäld ökas attraktionen. Vid högre pH är dessutom är attraktionen starkare vid högre salthalter och när pH blir tillräckligt högt är attraktionen dominant redan vid de lägsta salthalterna. Det noterades också att attraktionen blir starkare vid högre temperatur men att färre laktoferrin kluster bildas. Under förhållanden där attraktionen dominerar bildades också låg koncentration av avlånga strukturer, eller strimmor, av laktoferrin.

Med information om hur styrkan på attraktionen kan modifieras hoppas vi kunna öka styrkan på attraktionen och därmed öka mängden av de strukturer som bildas. Vid högre koncentration blir de lättare att studera och kan därför noggrannare undersökas. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Gustafsson, Emil LU
supervisor
organization
course
KEMR37 20162
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
8911963
date added to LUP
2017-06-26 10:36:26
date last changed
2017-06-26 10:36:26
@misc{8911963,
  abstract     = {In this work, lactoferrin was studied as a function of pH, starting at a low pH of 5.5 with 5 mM salt, in terms of interactions and dynamics with small angle X-ray scattering (SAXS), static and dynamic light scattering (SLS and DLS). Under these conditions lactoferrin was expected and found to have a strong electrostatic repulsion and behaved similar to an isotropic colloid. The glass transition was under these conditions determined to occur at a volume fraction of 0.32. Any effect of high protein concentration on lactoferrins secondary structure was investigated by circular dichroism (CD) and concentrations close to the glass transition (440 mg/mL) and no effect on secondary structure was found. 

At pH where patch-patch attractions are dominating, attractions were investigated by measuring second virial coefficients and collective diffusion. On approaching the isoelectric point, lactoferrins patch attraction was found to be stronger as well as active over a wider range with respect to ionic strength. At pH 9, the expected repulsion at low ionic strength is gone and attractions decreased as a function of ionic strength. This behavior can, in part, be attributed to a Kirkwood-Schumaker interaction, expected to occur for proteins with high capacitance and close to the isoelectric point which is the case here. In addition, investigation of stripe-like nanostructures under patchy conditions were imaged using fluorescence microscopy.},
  author       = {Gustafsson, Emil},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Switching on and off the patch-patch attraction of lactoferrin},
  year         = {2017},
}