Biophysical Investigation of Small-Molecule Glyco-Amphiphiles for Membrane-Protein Research

Autor: Mahler, Florian
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Popis: Membrane proteins are of high pharmacological interest as they are involved in a variety of vital functions. However, to make them accessible to in vitro studies, they often need to be extracted from their natural lipid environment and stabilized with the aid of membrane-mimetic systems. Such membrane mimics can consist of diverse amphiphilic molecules. Small-molecule amphiphiles that can solubilize lipid bilayers, so-called detergents, have been invaluable tools for membrane-protein research in recent decades. Herein, novel small-molecule glyco-amphiphiles embodying three distinct design principles are introduced, and their biophysical and physicochemical properties are investigated. In doing so, the major aims consist in establishing new promising amphiphiles and in determining structure–efficacy relationships for their synthesis and application. First, the software package D/STAIN was introduced to facilitate the analysis of demicellization curves obtained by isothermal titration calorimetry. The robustness of the underlying algorithm was demonstrated by analyzing demicellization curves representing large variations in amphiphile concentrations and thermodynamic parameters. Second, the interactions of diastereomeric cyclopentane maltoside amphiphiles (CPMs) with lipid bilayers and membrane proteins were investigated. To this end, lipid model membranes, cellular membranes, and model membrane proteins were treated with different stereoisomer CPMs. These investigations pointed out the importance of stereochemical configuration in the solubilization of lipid bilayers, in the extraction of membrane proteins, and, ultimately, in the stabilization of the latter. Ultimately, CPM C12 could be identified as a particularly stabilizing agent. Third, the influence of a polymerizable group attached to detergent-like amphiphiles was characterized regarding their micellization, micellar properties, and ability to solubilize lipid membranes. This revealed that such chemical modifications can have different degrees of impact regarding the investigated properties. In particular, micellization was influenced substantially, whereas the sizes of the resulting micelles varied slightly. The polymerizable amphiphiles were shown to solubilize artificial and natural lipid membranes and, consequently, to extract membrane proteins. Last, the self-assembly of diglucoside amphiphiles bearing either a hydrocarbon or a lipophobic fluorocarbon chain to form native nanodiscs was investigated. It was shown that the presence of a fluorocarbon hydrophobic chain conveys superior stabilization properties onto the amphiphile and the resulting nanodiscs. Moreover, the kinetics of lipid exchange were fundamentally altered by the presence of the fluorocarbon amphiphiles in the nanodisc rim.
Membranproteine sind von hohem pharmakologischem Interesse, da sie an einer Vielzahl lebenswichtiger Funktionen beteiligt sind. Um sie jedoch für In-vitro-Studien zugänglich zu machen, müssen sie oft aus ihrer natürlichen Lipidumgebung extrahiert und mit Hilfe von membranmimetischen Systemen stabilisiert werden. Solche Membranmimetika können aus verschiedenen amphiphilen Molekülen bestehen. Kleinmolekulare Amphiphile, die Lipiddoppelschichten auflösen können, sogenannte Detergenzien, waren in den letzten Jahrzehnten unschätzbare Werkzeuge für die Membranproteinforschung. Hier werden neuartige kleinmolekulare Glykoamphiphile vorgestellt, die auf drei verschiedenen Konstruktionsprinzipien basieren, und ihre biophysikalischen und physiko-chemischen Eigenschaften untersucht. Die Hauptziele bestehen dabei darin, neue vielversprechende Amphiphile zu etablieren und Struktur-Wirkungs-Beziehungen für deren Synthese und Anwendung zu bestimmen. Zuerst wurde das Softwarepaket D/STAIN eingeführt, um die Analyse von Demizellisierungskurven zu erleichtern, die durch isotherme Titrationskalorimetrie erhalten wurden. Die Robustheit des zugrunde liegenden Algorithmus wurde durch die Analyse von Demizellisierungskurven mit großen Variationen in Amphiphilkonzentrationen und thermodynamischen Parametern demonstriert. Zweitens wurden die Wechselwirkungen von diastereomeren Cyclopentanmaltosid-Amphiphilen (CPMs) mit Lipiddoppelschichten und Membranproteinen untersucht. Zu diesem Zweck wurden Lipidmodellmembranen, Zellmembranen und Modellmembranproteine mit verschiedenen stereoisomeren CPMs behandelt. Diese Untersuchungen wiesen auf die Bedeutung der stereochemischen Konfiguration bei der Solubilisierung von Lipiddoppelschichten, bei der Extraktion von Membranproteinen und letztendlich bei deren Stabilisierung hin. Letztlich konnte CPM-C12 als besonders stabilisierendes Amphiphil identifiziert werden. Drittens wurde der Einfluss einer polymerisierbaren Gruppe, die an detergensartige Amphiphile gebunden ist, in Bezug auf ihre Mizellbildung, ihre mizellaren Eigenschaften und ihre Fähigkeit, Lipidmembranen zu aufzulösen, charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass sich solche chemischen Modifikationen unterschiedlich stark auf die untersuchten Eigenschaften auswirken können. Insbesondere die Mizellisierung wurde stark beeinflusst, während die Größe der resultierenden Mizellen leicht variierte. Es wurde gezeigt, dass die polymerisierbaren Amphiphile künstliche und natürliche Lipidmembranen solubilisieren und so Membranproteine extrahieren. Zuletzt wurde die Selbstorganisation von Diglucosid-Amphiphilen mit entweder einer Kohlenwasserstoff- oder einer lipophoben Fluorkohlenstoffkette zu nativen Nanodiscs untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Anwesenheit einer hydrophoben Fluorkohlenstoffkette dem Amphiphil und den resultierenden Nanodiscs überlegene Stabilisierungseigenschaften verleiht. Darüber hinaus wurde die Kinetik des Lipidaustauschs durch die Anwesenheit der Fluorkohlenstoff-Amphiphile im Rand der Nanodiscs grundlegend verändert.
Databáze: OpenAIRE
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