[논문 리뷰] Amino Acids Stabilizing Effect on Protein and Colloidal Dispersions

Ting Mao, Xufeng Xu외 8명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 17.

Muscle metabolism and nutritionBiochemistry, Genetics and Molecular Biology인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 아미노산이 단백질, 플라스미드 DNA 및 나노입자와 같은 다양한 콜로이드 분산계를 약한 비특이적 상호작용을 통해 표면의 수화를 향상시켜 안정화시킨다는 것을 밝혀냈다. 저자들은 제2 옴모스 비열성 계수(B₂₂)와 평균력의 잠재능량을 바탕으로 이론적 프레임워크를 제안하며, 예측된 해리 상수와 실험 결과 사이에 뛰어난 일치를 보였다(예: 프롤린/리소자임: 1.18 M 대비 2.28 M), 이는 광범위하고 보편적인 콜로이드 안정화 메커니즘이 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단백질을 초월해 다양한 콜로이드 시스템에서 아미노산의 보편적 안정화 효과를 조사하는 것.
• 의약품 제제에서 아미노산 작용의 장기적인 모호성을 해결하는 것.
• 나노스케일 콜로이드와의 약한 비특이적 상호작용을 통해 안정화를 설명하는 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 실험적 B₂₂ 데이터와 평형 해리 상수를 사용하여 이론을 검증하는 것.
• 이온 농도와 유사하게 콜로이드 안정성의 기본 매개변수로 작용하는 소분자 농도를 설정하는 것.

제안 방법

• 단백질 및 콜로이드 분산계에서 입자 간 상호작용을 정량화하기 위해 제2 옴모스 비열성 계수(B₂₂) 측정.
• 용액 내 효과적 분자 간 힘을 분석하기 위해 평균력의 잠재능력(PMF) 계산.
• 패치가 있는 나노스케일 콜로이드와 약한 상호작용을 하는 소분자 기반의 이론 모델 개발.
• 이론 모델에 B₂₂ 데이터를 피팅하여 아미노산-단백질 상호작용의 평형 해리 상수 추출.
• 독립적으로 측정된 값과 비교하여 예측된 해리 상수의 실험적 검증.
• 아미노산, 단단백질, 다양한 콜로이드 시스템(단백질, DNA, 나노입자) 간의 안정화 효능을 체계적으로 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아미노산은 단백질, 플라스미드 DNA 및 합성 나노입자와 같은 광범위한 콜로이드 시스템을 안정화시키는가?
• RQ2 아미노산에 의한 콜로이드 안정화의 물리적 기원은 무엇이며, 특정 단백질에만 국한되는가 아니면 일반화 가능한가?
• RQ3 약한 비특이적 상호작용을 기반으로 한 이론 모델이 B₂₂ 측정에서 관찰된 안정화 효과를 정량적으로 예측할 수 있는가?
• RQ4 동일한 아미노산으로 구성된 단단백질과 개별 아미노산 간 안정화 효과는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 아미노산과 같은 소분자는 이온 농도와 유사하게 콜로이드 성질, 예를 들어 흐림점과 같은 특성에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• 아미노산은 단백질, 플라스미드 DNA 및 비생물학적 나노입자와 같은 광범위한 콜로이드 시스템을 유사한 효능으로 안정화시킨다.
• 소분자와 패치가 있는 콜로이드 간의 약한 상호작용을 기반으로 한 이론적 프레임워크는 실험적 B₂₂ 데이터를 정확히 예측한다.
• 프롤린과 리소자임 간 예측 해리 상수(1.18 M)는 실험 측정값(2.28 M)과 매우 유사하여 정량적 일치를 확인한다.
• 이온성 아미노산은 전하가 반대인 단백질만 안정화시키며, 이는 모델의 예측과 일치한다.
• n개의 아미노산으로 구성된 단단백질은 n개의 별개 아미노산보다 동일하거나 더 효과적으로 콜로이드를 안정화시킨다.
• 아미노산은 리소자임 용액의 흐림점을 최대 4 K까지 이동시켜 눈에 띄는 거시적 효과를 보였다.