Investigating the Impact of Surfactants on Protein Folding: Insights from AF₄, DLS and ProbeDrum

Abstract

Today, proteins are used in a huge variety of industrial application ranging from
detergents and pharmaceuticals to cosmetical products. Surfactants have the
potential to increase solubility of poorly soluble protein, as well as hindering proteins
in formulation to interact with the interface and thus protecting them from
degradation. Even if the use of protein-surfactant system dates back decades and so
does the research about them, there is no full understanding of the mechanism
behind these system. In order to optimize its applications, a greater understanding of
the protein-surfactant interactions need to be established.

Surfactants naturally forms micelles in water, concealing their hydrophobic tails
while exposing their hydrophilic heads. Depending on the charge of the surfactant,
they are classified as ionic or non-ionic surfactants. Ionic surfactants tend to form
micelles at a higher concentration compared to non-ionic surfactants. When
combining ionic and non-ionic surfactants, they create mixed micelles. This
phenomenon can be utilized by the addition of a non-ionic surfactant to a solution of
a protein and an ionic surfactant. Studies have shown that this reverses protein
denaturation, restoring the protein to its native and active state. The formation of
mixed micelles prevents the ionic surfactant from binding to and denaturating the
protein.

However, while the reversal of protein denaturation by non-ionic surfactants have
been proved with simpler proteins, its effectiveness with antibodies remains. In this
report, addition of both ionic and non-ionic surfactant to an antibody solution was
performed. Analysis of the solution with asymmetrical flow field-flow fractionation,
dynamic light scattering, fluorescence spectroscopy and static light scattering
confirms that this approach is also effective for the antibody, expanding its potential
applications and lays the foundation for further optimization.

Popular Abstract (Swedish)

Surfaktanter används inom många applikationer idag för att stabilisera eller
förbättra proteiners funktion. Kartläggning av hur surfaktanter interagerar med
proteiner påbörjades redan för flera årtionden sedan, men är ännu inte fullständig.
Genom att förstå detta bättre kan surfaktanters användningsområden effektiviseras
ytterligare och få produkter som läkemedel och rengöringsmedel som är effektivare
än vad vi har idag. Det är sedan tidigare känt att surfaktanter som är laddade kan få
proteiner att ändra struktur och att detta är reversibelt om man tillsätter en annan
typ av surfaktant som saknar laddning. Detta har dock blivit testat på mindre
proteiner och med detta arbete ska det undersökas om detta även är sant för ett
större protein, nämligen en antikropp. Idag är det vanligt med terapeutiska
antikroppar som används i läkemedel. Detta gör även antikroppen trastuzumab som
använts i detta arbete, den är nämligen vanligt förekommande i behandling av
bröstcancer.

Genom att tillsätta en laddad samt en oladdad surfaktant till en antikroppslösning
går det att observera med hjälp av olika instrument hur proteiner beter sig och ser ut
i jämförelse mot det oförändrade proteinet. Det har visat sig att de tidigare resultaten
för andra typer av proteiner även verkar stämma på antikroppen. När den laddade
surfaktanten tillsätts förändras proteinets struktur direkt, både vid höga och låga
koncentrationer utav surfaktant. När en icke laddad surfaktant tillsätts i en lösning
med laddad surfaktant och antikropp verkar proteinets struktur också ändras. Det
visade sig dock att antikroppens struktur ändras på ett sådant sätt att den mer och
mer återgår till sin ordinarie form och därför även återfår sina egenskaper. Processen
av att återfå antikroppens struktur kräver dock längre tid än vad det krävs för att
förstöra proteinets struktur från första början. Exakt hur lång tid som krävs har dock
inte blivit kartlagt. Även om tillsats av icke laddad surfaktant har fått antikroppen att
återgå mer till sin ordinarie struktur så har detta inte skett fullständigt. Det är
möjligt att det går, men att ytterligare större mängd icke laddad surfaktant såfall
krävs.

Genom att visa att oladdade surfaktanter kan skydda antikroppars veckning kan man
använda det som ett skydd mot yttre faktorer när läkemedel ska formuleras.
Veckningen av antikroppen är av stor vikt för dess funktionalitet och utan korrekt
veckning kan delar av dess funktion eller all funktion gå förlorad. Det kan därför vara
av stor vikt för framtida läkemedels formuleringar som involverar antikroppar att
kunna skydda dem mot konfirmations förändringar genom att välja oladdade
surfaktanter istället för laddade surfaktanter.

• author: Johansson, Emelie
• supervisor: Lars Nilsson
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.); Biotechnology (MSc); Biotechnology (M.Sc.Eng.)
• course: KLGM16 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: pharmaceutical formulation, AF4, DLS, ProbeDrum, Trastuzumab, Surfactants, Micelles
• language: English
• id: 9167548
• date added to LUP: 2024-06-24 11:50:23
• date last changed: 2024-06-24 11:50:23