[논문 리뷰] Protein corona composition of PEGylated nanoparticles correlates strongly with amino acid composition of protein surface

Giovanni Settanni, Jiajia Zhou외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 28.

Polymer Surface Interaction Studies참고 문헌 11인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 페그릴레이션된 나노입자 표면에 형성되는 단백질 코팅의 조성이 단백질 표면의 아미노산 조성에 의해 강하게 결정되며, 페그는 비극성 잔기와 선호적으로 상호작용한다는 것을 드러낸다. 분자 동역학 시뮬레이션과 표면에 노출된 면적 모델(SASA)은 실험적 레이블 프리 단백질체학 데이터와 일치하는 정확한 코팅 조성을 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 페그릴레이션된 나노입자 표면에 형성되는 단백질 코팅의 분자적 결정 요인을 이해하는 것.
• 단백질 표면 조성이 페그 체인과의 상호작용에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 단백질 표면 특성에 기반하여 단백질 코팅 조성을 예측하는 모델을 개발하는 것.
• 레이블 프리 단백질체학 데이터를 이용한 실험적 단백질 코팅 조성과의 비교를 통해 모델의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 수용성 환경에서 단백질-페그 상호작용에 대한 광범위한 분자 동역학 시뮬레이션 수행.
• 표면 극성에 기반하여 특정 아미노산 잔기 주변에서 페그 분자의 선호적 축적 분석.
• 단백질-페그 상호작용 에너지를 정량화하기 위한 표면에 노출된 면적(SASA) 기반 모델 개발.
• 레이블 프리 단백질체학을 통해 측정된 대규모 실험적 단백질 코팅 조성 데이터셋에 SASA 모델 피팅.
• 시뮬레이션 예측 결과와 실험적 코팅 조성을 비교하여 모델 정확도 평가.
• 모델을 사용하여 단백질 표면 아미노산 조성과 관측된 코팅 농축 또는 희석 간의 상관관계 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질 표면의 아미노산 조성이 페그릴레이션된 나노입자에 대한 단백질의 흡착 친화도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비극성 잔기와 극성 잔기가 단백질-페그 상호작용을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 표면에 노출된 면적(SASA) 모델이 페그릴레이션된 나노입자 표면의 단백질 코팅 조성을 정량적으로 예측할 수 있는가?
• RQ4 시뮬레이션 기반의 단백질 코팅 조성 예측이 실험적 레이블 프리 단백질체학 데이터와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 코팅 형성 과정에서 어떤 특정 아미노산 잔기가 페그 체인과 선호적으로 상호작용하는가?

주요 결과

• 페그 분자들은 단백질 표면의 비극성 아미노산 잔기 주변에 선택적으로 축적되며, 극성 잔기는 피한다.
• 표면에 노출된 면적(SASA) 모델은 페그릴레이션된 나노입자 표면의 단백질 코팅 조성을 정확히 예측한다.
• 모델은 레이블 프리 단백질체학 질량 분석을 통해 확보한 대규모 실험적 단백질 코팅 조성 데이터셋에 잘 맞는다.
• 비극성 잔기의 표면 함량이 높은 단백질은 페그릴레이션된 나노입자 표면에서 더 강하게 농축된다.
• 단백질 표면 조성과 코팅 형성 간의 상관관계는 SASA 모델을 사용하여 강력하고 정량적으로 예측 가능하다.
• 본 연구는 단백질 표면의 내재적 특성과 나노입자 코팅 조성 간의 직접적 연관성을 규명하여, 생체적합성 나노입자의 예측적 설계를 가능하게 한다.