[論文レビュー] Protein corona composition of PEGylated nanoparticles correlates strongly with amino acid composition of protein surface

Giovanni Settanni, Jiajia Zhou+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2016

Polymer Surface Interaction Studies参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、ペグ化されたナノ粒子上でのたんぱく質コーラスの組成が、たんぱく質表面のアミノ酸組成によって強く制御されることを明らかにした。特に、ペグは非疎水性アミノ酸に好んで相互作用する。分子動力学シミュレーションと溶媒可及的表面積モデルにより、実験的ラベルフリー質量分析法によるたんぱく質コーラスのデータと一致するコーラス組成が正確に予測可能である。

ABSTRACT

Extensive molecular dynamics simulations reveal that the interactions between proteins and poly(ethylene glycol)(PEG) can be described in terms of the surface composition of the proteins. PEG molecules accumulate around non-polar residues while avoiding polar ones. A solvent-accessible-surface-area model of protein adsorption on PEGylated nanoparticles accurately fits a large set of data on the composition of the protein corona recently obtained by label-free proteomic mass spectrometry.

研究の動機と目的

• ペグ化ナノ粒子上でのたんぱく質コーラス形成を支配する分子的要因を理解すること。
• たんぱく質表面の組成がペグ鎖との相互作用に与える影響を調査すること。
• たんぱく質表面の性質に基づいて、たんぱく質コーラスの組成を予測するモデルを構築すること。
• ラベルフリー質量分析法によるナノ粒子コーラス組成の実験データと照合して、モデルを検証すること。

提案手法

• 水相環境下におけるたんぱく質-ペグ相互作用の広範な分子動力学シミュレーションを実施すること。
• 表面疎水性に基づいて、特定のアミノ酸残基周辺にペグ分子が好んで蓄積する傾向を分析すること。
• 溶媒可及的表面積（SASA）に基づくモデルを構築し、たんぱく質-ペグ相互作用エネルギーを定量化すること。
• ラベルフリー質量分析法による実験的測定で得られた多数のたんぱく質コーラス組成データセットに、SASAモデルをフィットさせること。
• シミュレーションの予測結果と実験的コーラス組成を比較し、モデルの正確性を評価すること。
• モデルを用いて、たんぱく質表面アミノ酸組成と観察されたコーラスの増強または希釈の相関関係を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 たんぱく質表面のアミノ酸組成が、ペグ化ナノ粒子への吸着親和性にどのように影響するか。
• RQ2 疎水性と極性アミノ酸残基が、たんぱく質-ペグ相互作用を決定づける役割を果たすか。
• RQ3 溶媒可及的表面積モデルは、ペグ化ナノ粒子上でのたんぱく質コーラスの組成を定量的に予測できるか。
• RQ4 シミュレーションによるたんぱく質コーラス組成の予測は、実験的ラベルフリー質量分析法データとどの程度一致するか。
• RQ5 コーラス形成過程において、ペグ鎖と好んで相互作用を示す特定のアミノ酸残基は何か。

主な発見

• ペグ分子は、たんぱく質表面の非疎水性アミノ酸残基の周囲に選択的に蓄積するが、極性アミノ酸には避ける傾向を示す。
• 溶媒可及的表面積（SASA）モデルは、ペグ化ナノ粒子上でのたんぱく質コーラスの組成を正確に予測できる。
• このモデルは、ラベルフリー質量分析法による実験的たんぱく質コーラス組成の多数のデータセットに適合する。
• 非疎水性アミノ酸残基の表面含有率が高いたんぱく質は、ペグ化ナノ粒子上でのコーラス中でより強く増強される。
• SASAモデルを用いることで、たんぱく質表面の組成とコーラス形成の間の相関関係が強く、定量的に予測可能である。
• 本研究は、内在的なたんぱく質表面性質とナノ粒子コーラス組成との直接的な関連を確立し、生体適合性ナノ粒子の予測的設計を可能にする。