Protein-Polymer Interaction and Association in Aqueous Solution

Abstract: Popular Abstract in Swedish Syftet med den här avhandlingen har varit att studera association och växelverkan mellan proteiner och polymerer. Två olika tekniker har använts i dessa studier; datorsimuleringar och fördelning i polymera vattenhaltiga tvåfassystem. Vikten av att studera protein-polymer-växelverkan ligger i att flera biotekniska, och medicinska tillämpningar baserar sig just på protein-polymer-växelverkan. Flera separationstekniker för proteiner utnyttjar växelverkan mellan proteiner och polymerer, i synnerhet kromatografi, utfällning med polymerer och polymera tvåfassystem. Inom medicinska tillämpningar kan polymerer användas för att minska immunresponsen, genom att binda polymerer till ett läkemedelsprotein. Association av protein och polymerer är även vanligt förekommande i biologiska system, där DNA och cellulosa-bindande proteiner är exempel på proteiner som binder specifikt till två olika polymerer; DNA och cellulosa. Vattenhaltiga tvåfassystem är en experimentell teknik som kan användas för upprening av proteiner. Ett tvåfassystem består av en eller två olika typer av polymerer som blandas i vatten, och därefter separerar till två vattenrika faser. För att kunna rena ett protein med hjälp av ett tvåfassystem vill man att målproteinet ska fördela sig till ena fasen och förorenande molekyler till den andra fasen. För att uppnå bästa möjliga separation av föroreningar och målprotein är det därför av stor vikt att känna till hur proteinet och polymererna växelverkar. I denna avhandlingen har ett tvåfassystem som består av en fas med en positivt laddad polymer och en fas med vatten använts. I detta tvåfassystem har vi visat att negativt laddade proteiner går till den positiva polymerfasen medan positivt laddade proteiner föredrar den polymerfria vattenfasen. Genom att ändra pH eller genom att tillsätta en negativt laddad detergent kunde fördelningen av protein styras mellan polymer- och vattenfasen. Datorsimuleringar är en metod som man kan använda för att förklara fundamentala effekter hos molekylära system. I en simulering skapar man modeller av molekylerna som man vill studera. Modellsystem används sedan för att studera molekylers uppträdande och egenskaper. En fördel med datorsimuleringar är att man kan genomföra experiment som är svåra eller omöjliga att utföra laborativt. Till exempel har man möjlighet att ändra egenskaper hos molekyler som inte är möjligt experimentellt. Det kan även vara en fördel att utföra datorsimuleringar om man är intresserad av egenskaper hos giftiga molekyler som är svåra att hantera i ett laboratorium. Den simuleringsmetod som har använts i den här avhandlingen kallas för Monte Carlo. Namnet Monte Carlo anknyter till att metoden använder sig av slumptal precis som spelen på kasinot i Monte Carlo. Med hjälp av Monte Carlo simuleringar har vi studerat hur proteinytors hydrofobicitet påverkar växelverkan med en svagt hydrofob polymer. I dessa studier har vi visat att associationen ökar för proteiner där de hydrofoba aminosyrorna är ansamlade i grupper jämfört med proteiner med jämn fördelning av aminosyrorna. Vi har även använt Monte Carlo simuleringar för att studera proteiners adsorption till ytor klädda med polymerer. I denna studie undersöktes inverkan av polymerernas längd, polymertäthet, proteinstorlek och den relativa hydrofobiciteten hos proteinet, polymererna och ytan. Resultaten visade att hög polymertäthet och långa polymerer reducerar proteinadsorption. Studien visade även att större proteiner adsorberar bättre till ytor med hydrofoba polymerer medan mindre proteiner adsorberar bättre till ytor med hydrofila polymerer.