Properties of Protein and Polymer Systems

Abstract: Popular Abstract in Swedish Proteiners interaktioner med andra proteiner, med polymerer och med ytor har stor praktisk betydelse inom bland annat proteinrening, läkemedelsformulering och livsmedelsteknologi. Målet med detta arbete är att öka förståelsen för växelverkan mellan proteiner, mellan proteiner och polymerer samt mellan proteiner och ytor, särskilt beträffande de elektrostatiska krafternas betydelse. Egenskaper som har studerats inkluderar enskilda proteinladdningars betydelse för strukturen hos bildade komplex i protein- och protein/polymer-system, samt fasbeteende. Metoden som har använts här har huvudsakligen varit datorsimuleringar. Den använda Monte Carlo metoden kan jämföras med att filma molekyler med en tänkt filmkamera och sedan klippa ihop scenerna slumpmässigt utan kronologisk ordning. Efter ett tag skapas dock en mening när olika medelväden beräknas under simuleringen. Med denna teknik har man en viss frihet att flytta partiklarna under simuleringen, vilket är en fördel när man gör simuleringar av system med stora molekyler. Som modellprotein för studien har proteinet lysozym valts, eftersom detta är ett litet och kompakt protein, vars struktur är mycket stabil under de flesta förhållanden. Dessutom är lysozym ett protein som studerats intensivt och det finns många experimentella studier att jämföra med. Proteinmodellen består av en hård sfär med positiva och negativa laddningar under ytan. Laddningarnas position har tagits från den tredimensionella strukturen för lysozym och projicerats på en sfär. Andra enklare proteinmodeller, som använts i tidigare datorsimuleringar, har ofta en jämnt fördelad laddning. I det första steget har växelverkan mellan ett protein och en polymer undersökts. Vi fann att polymeren fördelade sig ojämnt över proteinets yta som ett resultat av de diskreta laddningarna och att en proteinmodell med diskreta laddningar gav mera polymer på proteinytan jämfört med en modell med jämnt fördelad laddning. I nästa steg undersöktes en lösning med många proteiner, och den icke-elektrostatiska interaktionen mellan proteinerna justerades efter experimentella data. I dessa simuleringar kunde till exempel jämviktskonstanter för lysozyms dimerisering reproduceras. I ett tredje steg jämfördes olika sätt att representera laddningarna i proteinet och två olika sätt att behandla små joner. Det förelåg en relativt liten skillnad mellan de olika laddningsrepresentationerna och skillnaden mellan de olika sätten att behandla joner var obetydlig vid låga jonkoncentrationer, men ökade som förväntat vid högre jonkoncentrationer. I en fjärde studie utvidgades systemet till att omfatta många proteiner och många polymerer. Vi kunde simulera den utfällning och återupplösning som observeras experimentellt då en laddad polymer i ökande koncentration blandas med en lösning av proteiner. Denna process återges på baksidan av omslaget. I ett sista simuleringsarbete undersöktes proteinmodellen vid en yta. Resultat från simuleringarna vid en yta stämde bra överens med experimentella studier exempelvis med avseende på hur mycket lysozym som adsorberar vid olika koncentrationer. Slutligen undersöktes interaktionen mellan polymeren poly(N-isopropyl-akrylamid) (pNIPAM) och andra ämnen, bland annat lysozym, samt adsorptionen av pNIPAM till en yta och det adsorberade skiktets temperaturberoende.