Carboxypeptidase B and polystyrene nanoparticles; aggregation, structural change, and enzyme activity

Abstract

Plastics are widely used and get degraded to micro- and nanoplastics once entering the environment. Nanoparticles have different properties compared to the bulk form of the material. Protein coronas are formed in biological systems and cause structural changes to the bound proteins. The effects following the nanoparticles’ interactions with the biological systems are worth studying to find possible outcomes for the plastics produced but also for risk assessment in the rather new scientific approach of nanoparticles in drug discovery.
This project aims to determine possible aggregation of carboxypeptidase B with polystyrene nanoparticles with two different modifications; amino-modified and carboxylated polystyrene nanoparticles, as well as the effects on the protein structure and the enzyme activity.
The aggregation is studied by dynamic light scattering, differential centrifugal sedimentation, circular dichroism, and spectrophotometry.
Carboxypeptidase B aggregates with amino-modified polystyrene nanoparticles, where the aggregates increase in size with decreasing nanoparticle concentration. No aggregation is shown with the carboxylated polystyrene particles. Both polystyrene nanoparticles cause a structural change in the protein at 37 ᵒC but not at 22 ᵒC. The structural changes of the protein are more distinct for the amino-modified polystyrene particles. The enzyme activity is more affected by the amino-modified polystyrene particles than the carboxylated ones, but the data varies too much to draw any conclusions about absolute increase or decrease in activity.

Popular Abstract (Swedish)

Dagens produktion och användning av plaster är omfattande. En mycket stor del av de plaster som produceras används som förpackningsmaterial, vilket används enbart en gång innan det slängs och hamnar på deponier eller i naturen. Väl i naturen kan plasterna fastna omkring eller i sin helhet ätas av djur, som sedan går ett mörkt öde till mötes. De plaster som hamnar i vattendrag, sjöar och hav utsätts även för strålning, kemisk och fysisk nedbrytning, vilket leder till mycket mindre plastbitar, så kallade mikroplaster, och slutligen även nanoplaster. Nanoplasterna har en mycket större yta i förhållande till sin volym än vad de ursprungliga plastprodukterna hade. Små vattenfiltrerande organismer kan missta dessa nanoplaster för föda och väl inne i organismen kan nanoplasterna interagera med fettmolekyler, proteiner och andra makromolekyler. Det kan leda till toxicitet och organismen dör.
Ett protein som har visat sig binda till nanopartiklar av polystyren är karboxypeptidas B. Det är ett mag- och tarmenzym som hjälper till att bryta ner proteiner som intagits via födan i mindre bitar, vilka sedan kan användas som byggstenar i andra mekanismer. I det här projektet undersöks huruvida karboxypeptidas B från gris binder till polystyrenpartiklar med olika ytmodifieringar (aminomodifierade och karboxylerade), samt om enzymets struktur och aktivitet påverkas av att bilda dessa aggregat.
Frågeställningarna undersöks med hjälp av metoder såsom Dynamic Light Scattering (DLS) som mäter aggregatens och partiklarnas storlek med hjälp av ljusspridning, Differential Centrifugal Sedimentation (DCS) som mäter storleksfördelningen i ett prov baserat på dess sedimentationshastighet tills det når en ljuskälla, Circular Dichroism (CD) som mäter ett proteins strukturförändringar med cirkulärpolariserat ljus, samt spektrofotometri. Dessa metoder baserar sig på molekylernas och partiklarnas ljusspridning, var man på olika sätt bestrålar provet och ljuset kan aningen splittras, vridas eller tas upp av molekylerna eller partiklarna i fråga. En detektor mäter skillnaden mellan det ingående och utgående ljuset och med hjälp av datorprogram kan olika data sedan tas fram.
Karboxypeptidas B aggregerar tillsammans med de aminomodifierade polystyrenpartiklarna, var aggregaten blir större i en lägre koncentration av dessa partiklar. Ingen aggregering påvisas för enzymet tillsammans med de karboxylerade polystyrenpartiklarna. I en högre temperatur (37ᵒC) kommer proteinets struktur att påverkas av båda partiklar, men inte i rumstemperatur (22ᵒC). Strukturförändringen är större för proteinet med de aminomodifierade partiklarna. Enzymaktiviteten påverkas markant av de aminomodifierade partiklarna men datan är för spridd för att dra några slutsatser om huruvida aktiviteten minskar eller ökar till följd av nanopartikeltillsatsen.

• author: Eriksson, Matilda
• supervisor: Tommy Cedervall
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMK10 20232
• year: 2023
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Chemistry
• keywords: aggregates, biochemistry, carboxypeptidase B, nanoparticles, nanoplastics, polystyrene
• language: English
• id: 9142449
• date added to LUP: 2024-01-18 08:56:24
• date last changed: 2024-01-18 08:56:24