Protein environment and structure in neat and hydrated deep eutectic solvents

Abstract

The use of deep eutectic solvents (DESs) has a great potential in the pharmaceutical field due to its many advantages such as biocompatibility, low toxicity and biodegradability. Studies have also shown that proteins can be successfully incorporated into DESs. However, protein stability and structure in these solvents need to be investigated for this technology to be applicable. When adding the protein into the deep eutectic solvent, the sought outcome is not to disrupt the native protein conformation, but to stabilize the protein in the solvent. A factor that makes this difficult is that proteins can change their structure when the local environment of the amino acid residues of the protein is altered. 

In this thesis, the two proteins bovine serum albumin and lysozyme were studied in three different DESs; choline chloride:glycerol (ChCl:Gly), choline chloride:urea (ChCl:U) and choline acetate:glycerol (ChAc:Gly), all in the molar ratio 1:2. In order to evaluate protein concentration, monitor changes in the secondary structure and how the environment affects the protein, UV-Vis spectrometry, FT-IR and fluorescence spectroscopy have been utilized. Hydrated ChCl:Gly with incorporated proteins has also been studied to understand how the proteins respond to the addition of water in the DES. Finally, proteins in ChCl:Gly were back-extracted into phosphate buffer to see how the proteins behave after being exposed to DES and then transferred back into a neat aqueous environment.

From the UV-Vis measurements, the obtained data indicate that the conformation of BSA and lysozyme seems to be best retained in ChCl:Gly. The FT-IR measurements show that the secondary structure is altered for the proteins when they are in DESs. Moreover, the data from the fluorescence measurements suggests that the native conformation of BSA and lysozyme, the environment or the interactions with the environment most likely is altered when the proteins are introduced to the different DESs. Furthermore, when adding water to ChCl:Gly, the protein conformations are better retained compared to when the proteins are in pure ChCl:Gly. After extraction of proteins from ChCl:Gly to phosphate buffer, it is observed that the proteins regain most of their native conformation. Consequently, deep eutectic solvents might be applicable in drug formulation. However, more studies have to be performed (preferably in combination with other techniques enabling further conformational studies) to obtain complementing information.

Popular Abstract (Swedish)

Detta är ett arbete som som syftar till att studera hur djupa eutektiska lösningsmedel påverkar proteinerna bovin serumalbumin och lysozym

Ett djupt eutektiskt lösningsmedel är ett lösningsmedel som skapas när två eller fler fasta material, mer specifikt en vätebindningsacceptor (ofta ett kvartärt ammoniumsalt) och en vätebindningsdonator, bildar ett omfattande vätebindningsnätverk. Detta genererar en eutektisk blandning i flytande form när de blandas i rätt förhållanden. Dessa lösningsmedel är klassade som grönare lösningsmedel som är icke-toxiska, nedbrytbara och biokompatibla, vilket gör de intressanta inom olika användningsområden. De eutektiska blandningarna skulle t.ex. potentiellt kunna användas som medium för proteiner. Proteiner består av långa kedjor av aminosyror med olika egenskaper som är kombinerade på olika sätt för att bilda långa kedjor som resulterar i ett specifikt protein med en särskild struktur och funktion.  

De två proteinerna som studerats i denna studie är bovin serumalbumin och lysozym. Bovin serumalbumin är ett protein härrörande från kor som har studerats omfattande på grund av dess tillgänglighet, låga kostnad, stabilitet och förmåga att inte skapa korsreaktioner i många biologiska reaktioner. Lysozym är ett annat protein som finns hos djur (proteinet utvinns ofta från kyckling- eller hönsäggvita) och i t.ex. slemhinnor, tårar, saliv etc. Proteinet, som också är ett enzym, är känt för sin antibakteriella aktivitet.   

I detta arbete har det med hjälp av olika analysmetoder studerats hur dessa två proteiner påverkas av tre olika eutektiska lösningsmedel. Bland annat har koncentrationen av protein samt förändring av proteinets miljö observerats när respektive protein befinner sig i respektive lösningsmedel. Erhållna resultat har sedan jämförts med resultat från när respektive protein befinner sig i fosfatbuffert. Spektroskopiska analysmetoder har använts för att titta på hur proteinstrukturen påverkas. Dessutom har det även studerats hur proteinet reagerar på tillsatsen av vatten till den eutektiska lösningen (då det tidigare har observerats att detta kan vara fördelaktigt för proteinets struktur) samt hur proteinet förändrats när den förflyttas till fosfatbuffert igen efter att ha varit i den eutektiska lösningen under en viss tid. 

Den slutsats som kan dras av arbetet är att den ursprungliga proteinstrukturen av BSA och lysozym med stor sannolikhet har förändrats när proteinerna har introducerats till de olika djupa eutektiska lösningsmedlen, samt att olika utfall fås beroende på vilket eutektiskt lösningsmedel proteinet förts in i. Resultaten har även visat att proteinerna behåller sina strukturer bättre i de eutektiska lösningarna om vatten tillsätts, samt att merparten av proteinstrukturen återgår till original form när proteinet återförs till fosfatbuffert från den eutektiska lösningen.

• author: Xiang, Jenny and Basic, Medina
• supervisor: Adrian Sanchez-Fernandez
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.)
• course: KLGM15 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Deep eutectic solvents, proteins, BSA, lysozyme, choline chloride:glycerol, choline chloride:urea, choline acetate:glycerol, UV-Vis, fluorescence, FT-IR, hydrated deep eutectic solvents, pharmaceutical technology, läkemedelsteknologi
• language: English
• id: 9022166
• date added to LUP: 2020-09-11 11:12:24
• date last changed: 2020-09-11 11:12:24