[論文レビュー] Amino Acids Stabilizing Effect on Protein and Colloidal Dispersions

Ting Mao, Xufeng Xu+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2024

Muscle metabolism and nutritionBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、アミノ酸が弱い非特異的相互作用を通じて表面の溶媒化を高めることで、タンパク質、プラスミドDNA、ナノ粒子を含む多様なコロイド分散系を安定化することを明らかにした。著者らは、第二圧縮係数（B₂₂）および平均力ポテンシャルに基づく理論的枠組みを提案し、予測された解離定数と実験値の間で優れた一致を示した（例：プロリン/リゾスイミン：1.18 M 対 2.28 M）。これにより、広範かつ普遍的なコロイド安定化機構が同定された。

ABSTRACT

Despite being used for decades as stabilizers, amino acids (AAs) remain mysterious components of many medical and biological formulations. Hypotheses on their role vary ranging from hydrotropic to protein-specific effects (stabilization against misfolding). Here, we deduce that AAs possess a new and broad colloidal property by finding that stabilizing effect of the AAs is comparable on dispersion of various proteins, plasmid DNA, and non-biological nanoparticles. The interactions among colloidal particles in dispersion are carefully evaluated by the second osmotic virial coefficient (B_22) and the potential of mean force. We propose a theoretical framework that explains the stabilization as the effect of weakly interacting small molecules with patchy nanoscale colloids. We validate it through quantitative comparison with experimental data by comparing equilibrium dissociation constants for AA/proteins obtained either by fitting the B22 data with this theory or experimentally. We find excellent quantitative agreement (e.g. proline/lysozyme 1.18 and 2.28 M, respectively) and indeed that the interactions are very weak. The theory presented implies that (i) charged AAs will be effective only for proteins of opposite charge; (ii) short peptides composed of n AAs will be as or more effective than n separate AAs; (iii) any small molecule weakly interacting with nanoscale colloids that increases the solvation of the surface will have a stabilizing effect. The experimental evidences corroborate all three predictions. Much like the ionic strength of the solution is commonly reported, our results imply that the same should be done for the small molecules, as they also affect fundamentally colloidal properties. As an example, we show that AAs vary the cloud point of a lysozyme solution by as much as 4 K.

研究の動機と目的

• タンパク質を超える多様なコロイド系におけるアミノ酸の普遍的安定化効果を調査すること。
• 医薬品配合剤におけるアミノ酸作用のメカニズムに関する長年の曇りを解消すること。
• ナノスケールコロイドと弱い非特異的相互作用を介した安定化を説明する理論的枠組みを構築すること。
• B₂₂データと平衡解離定数の実験値を用いて理論を検証すること。
• イオン強度と同様に、小分子濃度をコロイド安定性の根本的パラメータとして確立すること。

提案手法

• タンパク質およびコロイド分散系における粒子間相互作用を定量化するため、第二圧縮係数（B₂₂）の測定。
• 溶液中での有効な分子間力の分析のため、平均力ポテンシャル（PMF）の計算。
• 不規則なナノスケールコロイドと弱く相互作用する小分子に基づく理論モデルの構築。
• 理論モデルにB₂₂データをフィットさせ、AA-タンパク質相互作用の平衡解離定数を抽出。
• 独立して測定された値を用いて予測された解離定数の実験的検証。
• アミノ酸、短いペプチド、および異なるコロイド系（タンパク質、DNA、ナノ粒子）における安定化効果の系統的比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アミノ酸は、タンパク質、プラスミドDNA、および合成ナノ粒子を含む広範なコロイド系を安定化するか？
• RQ2 アミノ酸誘発コロイド安定化の物理的起源は何か。これは特定のタンパク質に特異的であるのか、一般化可能か？
• RQ3 弱い非特異的相互作用に基づく理論モデルは、B₂₂測定で観察された安定化効果を定量的に予測できるか？
• RQ4 同一アミノ酸からなる短いペプチドと個々のアミノ酸とでは、安定化効果にどのような差があるか？
• RQ5 アミノ酸などの小分子は、イオン強度と同等に、コロイドの曇点といった物性をどれほど変化させるか？

主な発見

• アミノ酸は、タンパク質、プラスミドDNA、および非生物学的ナノ粒子を含む広範なコロイド系を、同等の有効性で安定化する。
• 小分子と不規則なコロイドとの間の弱い相互作用に基づく理論枠組みは、実験的B₂₂データを正確に予測する。
• プロリンとリゾスイミンの予測解離定数（1.18 M）は、実験測定値（2.28 M）とよく一致し、定量的整合性が確認された。
• 電荷を有するアミノ酸は、相反する電荷を持つタンパク質にのみ安定化効果を示すことが、モデルの予測通りであった。
• n個のアミノ酸からなる短いペプチドは、n個の個別アミノ酸と同等またはそれ以上の効果を示した。
• アミノ酸はリゾスイミン溶液の曇点を最大4 Kシフトさせ、顕著なマクロな効果を示した。