Water and Protein Dynamics in Biological Systems Studied by Magnetic Relaxation Dispersion

Abstract: Popular Abstract in Swedish Allt liv på jorden har utvecklats i en vattenbaserad miljö. Proteiner och andra biomolekyler har därigenom anpassats i sin struktur och funktion till vattnets speciella egenskaper. För att kunna förstå biologiska processer måste vi studera hur biomolekyler växelverkar med det omgivande vattnet under fysiologiska betingelser. Detta är särkilt viktigt eftersom det flesta biologiska processer sker i gränsytan mellan proteinet och vatten. Men vatten finns inte bara på proteinets yta, enskilda vattenmolekyler finns även inneslutna inuti proteinet. Subtila förändringar i proteinets struktur avgör om dessa inneslutna vattenmolekyler tränger in eller ut ur proteinet. Dessa strukturella förändringar kan visa sig vara viktiga för proteinets funktion och det är således viktigt att kunna mäta dessa. I artiklar I –III utvecklar vi en metod för att kunna karakterisera just dessa strukturella förändringar på en tidskala som inte varit tillgänglig tidigare. Detta gör vi genom att mäta den kärnmagnetiska relaxationen av vattenmolekylerna i olika proteingeler. En vanlig bakterie består till 30% av proteiner och andra biomolekyler. Detta medför att vattenmolekylerna inuti celler beter sig annorlunda än i ett provrör. Hur stor denna skillnad är råder det fortfarande delade meningar om. Men med hjälp av kärnmagnetiska relaxation visar vi i artikel IV att cellvatten till största delen är lika lättflytande som kranvatten. Detta har stor betydelse för de processer som sker i cellen. I artikel V visar vi att detta är sant även för bakteriella sporer trotts att vissa forskare påstår att sporernas exceptionella överlevnadsförmåga kommer från vattenmolekylernas glasliknande karaktär. Bildgivande magnetresonans (MR), har blivit en allt viktigare teknik inom diagnostisk medicin. I MR baseras kontrasten på specifika molekylära detaljer i vattenmolekylernas växelverkan med proteiner i kroppen. I artikel III & VI klarlägger vi vilka olika molekylära mekanismer som ger upphov till en viss typ av MR kontrast. Denna nya förståelse kan förbättra MR-teknikens kliniska potential.