[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究揭示，氨基酸通过弱的、非特异性相互作用，增强表面溶剂化，从而稳定多种胶体分散体系——包括蛋白质、质粒DNA和纳米颗粒。作者基于第二依数性第二 virial 系数（B₂₂）和平均力势能提出理论框架，预测与实验测得的解离常数高度一致（例如，脯氨酸/溶菌酶：1.18 M vs. 2.28 M），证明了一种广泛而普遍的胶体稳定机制。

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.

研究动机与目标

• 探究氨基酸在蛋白质之外的多种胶体体系中普遍的稳定效应。
• 解决氨基酸在药物制剂中作用机制长期存在的模糊性问题。
• 建立理论框架，解释弱非特异性相互作用对纳米尺度胶体的稳定作用。
• 利用实验测得的 B₂₂ 数据和平衡解离常数验证该理论。
• 确立小分子浓度作为胶体稳定性的一个基本参数，类似于离子强度的作用。

提出的方法

• 通过测量第二依数性第二 virial 系数（B₂₂）量化蛋白质和胶体分散体系中粒子间的相互作用。
• 计算平均力势能（PMF），分析溶液中有效分子间作用力。
• 基于弱相互作用的小分子与带斑点的纳米尺度胶体，构建理论模型。
• 将 B₂₂ 数据拟合至理论模型，提取氨基酸-蛋白质相互作用的平衡解离常数。
• 通过独立测量的值，实验验证预测的解离常数。
• 系统比较氨基酸、短肽以及不同胶体体系（蛋白质、DNA、纳米颗粒）的稳定效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 氨基酸是否能稳定包括蛋白质、质粒DNA和合成纳米颗粒在内的广泛胶体体系？
• RQ2 氨基酸诱导胶体稳定的物理起源是什么？该机制是否仅针对特定蛋白质，还是具有普适性？
• RQ3 基于弱非特异性相互作用的理论模型，能否定量预测 B₂₂ 测量中观察到的稳定效应？
• RQ4 单个氨基酸与由相同氨基酸组成的短肽相比，其稳定效果有何差异？
• RQ5 小分子如氨基酸在多大程度上可调节胶体性质（如浊点），其效果是否可与离子强度相媲美？

主要发现

• 氨基酸能以相近的效率稳定多种胶体体系，包括蛋白质、质粒DNA和非生物纳米颗粒。
• 基于小分子与带斑点胶体之间弱相互作用的理论框架，能准确预测实验测得的 B₂₂ 数据。
• 预测的脯氨酸与溶菌酶的解离常数（1.18 M）与实验测得值（2.28 M）高度吻合，证实了定量一致性。
• 带电氨基酸仅能稳定带相反电荷的蛋白质，与模型预测一致。
• 由 n 个氨基酸组成的短肽在稳定胶体方面，与 n 个独立氨基酸相当或更有效。
• 氨基酸可使溶菌酶溶液的浊点发生高达 4 K 的移动，表明其具有可测量的宏观效应。