Protein Adsorption at Surfaces: Comparative Characterization by means of Simulation and Experiment
Final Report Abstract
Dieses Projekt widmete sich der Fragestellung, wie die Wechselwirkung von Proteinen mit anorganischen Oberflächen in atomistischer Auflösung beschrieben werden kann. Dazu wurden Molekulardynamiksimulationen sowie Einzelmolekül-Kraftspektroskopie-Experimente durchgeführt. Im Bereich Simulation wurde die von uns neu entwickelte Methode der beschleunigten Molekulardynamik (MD) eingesetzt, die es erlaubt, neue Erkenntnisse über Adsorptionsprozesse durch die Annäherung an experimentelle Zeitskalen zu gewinnen. Ein Verständnis dieser Wechselwirkungsprozesse ist von essentieller Bedeutung, wenn es beispielsweise um die Biokompatibilität von Implantatoberflächen geht. Daher kamen als Modellsysteme für diese Untersuchungen verschiedene Proteine und Oberflächen mit klinischer Relevanz zum Einsatz, insbesondere Rinderserumalbumin (BSA) und Lysozym. Aufgrund der komplexen dreidimensionalen Geometrie von Proteinen und der damit verbundenen Energielandschaft sind eine Vielzahl an Konformationszuständen auf einer Oberfläche möglich. Eine ausreichende Erfassung dieser Konformationen ist bei klassischen MD- Simulationen schwierig, da oft metastabile Zustände während der Adsorption überwunden werden müssen. Unsere Methode der beschleunigten Molekulardynamik erlaubt es, den Konformationsraum umfangreicher abzubilden. In Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen zeigt Rinderserumalbumin auf Graphit ein deutlich stärkeres Adsorptionsverhalten als Lysozym, was sich sowohl in einer stärkeren Entfaltung als auch in höheren Desorptionskräften widerspiegelt. Die Problematik der klassischen MD, dass die Zuggeschwindigkeiten oft um mehrere Größenordnungen höher sind als im Experiment, wurde dabei durch eine neu entwickelte Methodik zur Simulation von Zugprozessen in biologischen Systemen gelöst. Im Vergleich zwischen Graphit (0001) und Rutil (110) wurde der Einfluss verschiedener Wechselwirkungsarten untersucht. Auf der hydrophilen Rutiloberfläche konnten starke Konformationsänderungen detektiert werden, die im Wesentlichen auf elektrostatische Wechselwirkungen mit Wasserschichten und der Oberfläche zurückzuführen sind. Bei Graphit hingegen ist der direkte Kontakt via van-der-Waals-Wechselwirkungen entscheidend und sorgt für eine nahezu vollständige Entfaltung des Proteins, im Einklang mit experimentellen Daten. Im Bereich Experiment wurde zunächst ausführlich untersucht, wie man Einzelmolekül-Kraftspektroskopie bei unspezifischer Adsorption realisieren kann. Hierbei stellte sich heraus, dass der Präparation der Cantileverspitze mit einem über einen PEG-Linker gekoppelten Protein besondere Bedeutung zukommt. Die Anbindung von BSA über NH2 bzw. ortspezifische Anbindung über die einzige SH-Gruppe führte zu gleichen Werten bei der Adhäsionsenergie, aber Unterschieden bei der Entfaltung und der maximalen Adhäsionskraft. Die Komplexität der Kraftkurven erforderte eine Auswertung mehrerer Größen, um die Desorption ausreichend zu beschreiben: Adhäsionskraft des letzten Peaks und dessen Position als Maß für die Entfaltung des Proteins bei der Desorption, maximale Adhäsionskraft und Adhäsionsenergie exklusive Tipadhäsion. Wie sich im Verlauf dieser Arbeit in beiden Teilprojekten zeigte, ist ein wesentlicher Anteil der Hydrophobizität von Graphitoberflächen auf die Kontamination durch Kohlenwasserstoffe zurückzuführen. Eine entsprechende Berücksichtigung der Kontamination in Simulation und Experiment konnte dies anhand von Kontaktwinkelanalysen bestätigen. Dabei zeigte sich, dass eine Abhängigkeit des Adsorptionsverhalten von der Kohlenwasserstoffkonzentration auf der Oberfläche vorliegt. Eine saubere, leicht hydrophile Graphitoberfläche verursacht hierbei durch direkte Interaktionen die größten Konformationsänderungen.
Publications
- Consequences of Hydrocarbon Contamination for Wettability and Protein Adsorption on Graphite Surfaces. J. Phys. Chem. C 119, 12496 – 12501 (2015)
C. Mücksch, C. Rösch, C. Müller-Renno, C. Ziegler, and H. M. Urbassek
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C. Mücksch and H. M. Urbassek
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b02229) - Accelerating Steered Molecular Dynamics: Toward Smaller Velocities in Forced Unfolding Simulations. J. Chem. Theory Comput. 12, 1380 – 1384 (2016)
C. Mücksch and H. M. Urbassek
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5b01024) - Forced Desorption of Bovine Serum Albumin and Lysozyme from Graphite: Insights from Molecular Dynamics Simulation. J. Phys. Chem. B 120, 7889 – 7895 (2016)
C. Mücksch and H. M. Urbassek
(See online at https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcb.6b05234) - Insulin adsorption on crystalline SiO2: Comparison between polar and nonpolar surfaces using accelerated molecular-dynamics simulations. Chem. Phys. Lett. 670, 77 – 83 (2017)
M. A. Nejad, C. Mücksch, and H. M. Urbassek
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cplett.2017.01.002)
