Consortional main: How interfacial water structure controls protein conformation  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
101821
Type K
Principal investigator Dér, András
Title in Hungarian Konzorcium, fő p.: Hogyan befolyásolja a határfelületi vízréteg szerkezete a fehérjék konformációját?
Title in English Consortional main: How interfacial water structure controls protein conformation
Keywords in Hungarian Hofmeister-effektus, FTIR és CD spektroszkópia, molekulamodellezés, amiloid béta peptid, szerkezet nélküli fehérjék, Trp-cage minifehérje
Keywords in English Hofmeister effect, FTIR and CD spectroscopy, molecular modeling, amyloid beta peptide, intrinsically unstructured proteins, Trp-cage miniprotein
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)50 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences)50 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Fábián, László
Leitgeb, Balázs
Mathesz, Anna
Szalontai, Balázs
Tóth, Boconádi Rudolf
Valkai, Sándor
Starting date 2012-04-01
Closing date 2016-09-30
Funding (in million HUF) 31.562
FTE (full time equivalent) 12.60
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára

Az élő rendszerek makromolekuláit körülvevő víz alapvető hatását módosíthatjuk bizonyos sókat adva az oldathoz (specifikus só- vagy Hofmeister-effektus (HE)). A HE széleskörű kolloidkémiai, preparatív biokémiai és biotechnológiai alkalmazása ellenére az effektus magyarázata a legutóbbi időkig vita tárgya volt. Nemrégiben publikáltuk a hatás elméleti megalapozását, ami a molekula-víz határfelületi feszültség sófüggésén alapul. Megmutattuk, hogy a határfelületen fellépő felületi feszültség és a fehérje szerkezeti stabilitása közötti összefüggés közvetlenül összekapcsolható a fehérje konformációs fluktuációival. Ennek az eredménynek metodológiai következménye, hogy a HE várhatóan befolyásolja azokat a reakciókat, amelyek olyan konformációs változásokhoz kapcsolhatók, ahol a makromolekuláknak vagy ezek aggregátumainak vízzel érintkező felülete megváltozik. Konzorciális pályázatunk célja, hogy a HE segítségével megvilágítsuk a határfelületi víz szerkezetének szerepét a fehérjék feltekeredésében és működésében. Kísérleti és számítógépes szimulációs technikák segítségével a vizsgált jelenségek atomi szintű értelmezését kívánjuk megadni. Az eredmények várhatóan hozzájárulnak majd a víz szerkezetének a fehérjék stabilitására, illetve dinamikájára gyakorolt hatásának megértéséhez.

A kutatás alapkérdése

Korábbi eredményeken alapuló munkahipotézisünk szerint, a határfelületi víz szerkezetének meghatározó szerepe van egy fehérje szerkezetére és konformációs dinamikájára nézve egyaránt. A Hofmeister-aktív sók megváltoztatják a határfelületi víz szerkezetét, így hatást gyakorolnak a fehérjeszerkezetre is. Tervezett kutatásaink ennek a jelenségnek a jobb megértését célozzák. A megválaszolni kívánt fő tudományos kérdés az, hogy a fehérje-víz határfelülelti feszültséget csökkentő (“kaotrop”), illetve növelő (“kozmotrop”) sók miként befolyásolják a különböző szerkezeti motívumokkal rendelkező biomolekulák szerkezetét, illetve működését. A tanulmányozott molekulák köre a magas rendezettségű β-amiloidtól a jól definiált, de flexibilis szerkezetű modellpeptideken és működő fehérjéken (pl. Trp-cage minifehérje, fotoaktív sárga fehérje) keresztül a rendezetlen fehérjékig terjed. Vizsgálatainkban nagy teljesítőképességű kísérleti technikákat (FTIR-, CD- és abszorpcióspektroszkópia, atomerőmikroszkópia, továbbá kooperációban neutronszórás és NMR) és a molekuladinamikai szimulációkat is magában foglaló komplex eszköztárat használunk. Kutatásaink távlati célja a vizsgált jelenségek atomi szintű leírása.

A kutatás jelentősége

A Hofmeister-hatások kutatásának hosszú történetében ilyen kérdésfeltevésen alapuló, komplex, célzott vizsgálatokra még nem került sor. Pályázatunk sikeres végigvitele rávilágíthat arra, hogy a határfelületi vízréteg milyen fontos szerepet játszik a peptidek és fehérjék stabilitásában, dinamikájában, feltekeredésében és működésében. A tanulmányozni kívánt biomolekulák (fehérjék és peptidek) szerkezeti osztályuk tipikus reprezentánsai (pl. Aβ: kompakt, IUPs: laza, TRP-cage and PYP: köztes). A határfelületi vízrétegnek a vizsgált molekulák konformációs dinamikájában betöltött szerepét vizsgálva ezért olyan általános érvényű eredményekre számítunk, amelyek hozzájárulnak a fehérje-feltekeredés, -stabilitás és -működés törvényszerűségeinek mélyebb megértéséhez. A kísérleti eredmények elméleti vizsgálatokat indukálnak és viszont. Bizonyos polipeptidek aggregációjának esetében (mint például a β amiloid aggregációja, ami kulcsszerepet játszik az Alzheimer-kór kialakulásában) eredményeink mélyebb betekintést nyújthatnak azokba a folyamatokba amelyek betegségek kialakulásához vezetnek. Alapkutatási jelentőségükön túl tehát az eredményeknek gyakorlati relevanciája is várható, amennyiben új stratégiával szolgálhatnak egyes konformációs betegségek terápiájához.

A kutatás összefoglalója laikusok számára

A vízmolekula a harmadik leggyakoribb molekula a világegyetemben, és a leggyakoribb a Földön. Az élőlények nagy része víz (minden szervezettségi szinten). Ha a víz “szerkezete” (H-kötéseinek a hálózata) valamilyen külső ok (pl. oldott sók jelenléte) miatt megváltozik, az hatással van a fehérjék szerkezetére és működésére. Összefoglaló néven – felfedezőjükről - Hofmeister-effektusoknak nevezik ezeket a hatásokat. Hofmeister 1888-ban sorba rendezte a – hatásért elsősorban felelős - anionokat aszerint, hogy milyen hatékonysággal csapják ki a globuláris fehérjéket: SO4-->F->CH3COO->Cl->Br->I->ClO4-, SCN-
A Cl- ionnak a legkisebb a hatása. A sorban tőle balra elhelyezkedőket kozmotropoknak nevezik (hatásuk: fokozott aggregáció), jobbra pedig a kaotropok találhatók (csökkent aggregáció). Később ugyanezt a sort találták a fehérje-aktivitásra is: a kozmotropok általában stabilizálnak és növelik az enzimaktivitást, a kaotropok pedig ellenkezőleg, de esetenként éppen fordítva van. Többek között az ilyen kivételek miatt sokáig nem volt egységes elmélete a Hofmeister-effektusoknak.
Nemrégiben kidolgozott elméletünk, - a víz-fehérje határfelületi feszültség sófüggése segítségével – kvalitatív magyarázatot ad a legkülönbözőbb Hofmeister-hatásokra. A pályázat keretében – az elmélet alkalmazásaként, kísérleti és elméleti eszközökkel - azt szándékozzuk tanulmányozni, hogy a kaotrop illetve kozmotrop sók miként befolyásolják a különböző rendezettségű fehérjék szerkezetét és működését. A várható eredmények –alapkutatási jelentőségükön túl- új stratégiával szolgálhatnak egyes konformációs betegségek (pl. Alzheimer-kór) terápiájához.
Summary
Summary of proposed research including key goals for scientifically qualified assessors

The fundamental influence of the interfacial water on macromolecules of the biological systems can be modified by adding special salts to the solution (Hofmeister effects (HE)). Despite the wide-spread use of HE in colloid chemistry, preparative biochemistry and biotechnology, interpretation of the effects had remained a matter of debate. Recently, we have published a theoretical grounding of the effects based on the salt dependence of solute-water interfacial tension. It was shown that the relation between interfacial tension and protein structural stability is directly linked to protein conformational fluctuations. A methodological implication of the results is that HE are expected to change the reactions accompanying major conformational changes that involve water-exposed surface area changes of macromolecules and supramolecular assemblies. The aim of our consortial project is to utilize HE as a research tool to reveal the role of interfacial water structure in protein folding and function. By the combination of experimental and computer simulation techniques, we are going to find atomic level interpretations of the investigated phenomena. The results are expected to have important implications on the effect of water structure on protein stability and dynamics.

The main research question

According to our working hypothesis based on earlier investigations, interfacial water structure has a determining role in defining protein structure and conformational dynamics. The Hofmeister-active salts induce changes in the interfacial water structure, and this way influence the protein structure as well. We aim at the better understanding of this phenomenon. The major scientific question is how salts decreasing (“chaotropes”) or increasing (“kosmotropes”) protein-water interfacial tension influence the structure and function of biomolecules (proteins and peptides) showing different structural motifs. The spectrum of the target molecules spans from the highly ordered β-amyloid structures via proteins and model peptides of flexible, but well-defined structure (e.g., Trp-cage miniprotein or photoactive yellow protein) to the intrinsically disordered proteins. In the framework of the present project, we are going to address this point by a complex methodological approach involving powerful experimental techniques (FTIR-, CD-, absorption kinetics spectroscopy, also neutron diffraction and NMR in cooperation), as well as ab initio and molecular dynamics calculations. Our long-term goal is to find atomic level interpretations of the investigated phenomena.

Significance of our research

The proposed research approach is unique in the long history of the investigation of Hofmeister effects. A successful completion of our work plan would shed light on the general importance of the structure of interfacial water layer on the stability, dynamics, folding and function of peptides and proteins. The biologically relevant target molecules chosen are typical representatives of their type of conformation (i.e. Aβ: compact, IUPs: loose, TRP-cage and PYP: intermediate), and their investigations are expected to provide with essential data for a quantitative understanding of the conformational dynamics of these biomolecules. Experimental results will inspire theoretical studies, and vice versa. The investigation of the interaction mechanisms of proteins and interfacial water will contribute to the deeper understanding of protein folding and stability problem in general. Specifically, for the aggregation of polypeptides (like polyA or Aβ, which cause different human illnesses and play a relevant role in several neurodegenerative diseases (e.g. Alzheimer’s disease), our examinations are expected to provide deeper insight into the mechanism of the initiation of these diseases. On the whole, in addition to their significance in basic biophysical science, the expected results are supposed to have impacts on finding new strategies for the treatment of conformational diseases, as well.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kísérletileg jellemeztük a Hofmeister-sók hatását 1) a fotoaktív sárga fehérje működésére lézer flash-spektroszkópiai mérések, 2) a Trp-kalitka minifehérje másodlagos szerkezetére CD spektroszkópia, illetve 3) a bakteriorodopszin egyensúlyi fluktuációira FTIR-spektroszkópia, kalorimetria és neutron-szórás segítségével. Új modell-rendszert fejlesztettünk ki biológiai barrierek vizsgálatára, ami alkalmas a határfelületi feszültség megváltozása által a szöveteket elválasztó monocelluláris membránokra gyakorolt hatás tanulmányozására. Teljes visszaverődéses Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiát használva meghatároztuk, hogyan változik meg a víz szerkezete különféle fehérjék környezetében. Azonosítottunk kaotrop illetve kozmotrop felülettel rendelkező fehérjéket, illetve megállapítottuk, hogy a rendezetlen fehérjéknél mindkét jelleg előfordul. Elméleti vizsgálataink során megmutattuk, hogy már egyszerű molekulamechanikai erőterekkel is modellezhetők a Hofmeister-hatások olyan rendszerken mint a Trp-kalitka miniprotein, illetve az Aβ peptid. Eljárást dolgoztunk ki a fehérje-víz határfelületi feszültség változásának a molekula határfelület-fluktuációiból történő származtatására, és igazoltuk korábban kidolgozott fenomenologikus elméletünket. Leírtuk a fehérje határfelületi vízrétegében a sók hatására bekövetkező változásokat, és ezzel összefüggésben a fehérjeszerkezet kozmotrop stabilizációjának illetve kaotrop destabilizációjának lehetséges mechanizmusát.
Results in English
We characterized the effects of Hofmeister salts 1) on the structure and function of Photoactive Yellow Protein by laser-flash spectroscopic studies, 2) on the secondary structure of Trp-cage miniprotein by CD spectroscopy, and 3) on the equilibrium fluctuations of bacteriorhodopsin by FTIR-specroscopic, calorimetric and neutron-diffraction experiments. By Fourier-transform infrared spectroscopy, we determined the effects of protein surfaces on the adjacent water structure, identified proteins of chaotropic and kosmotropic surfaces, and established that intrinsically unstructured proteins show both characteristics. Via theoretical methods, we established that even simple molecular mechanics force fields can be used to effectively model Hofmeister effects on Trp-cage miniprotein and Aβ peptide. We elaborated a procedure that was appropriate to derive changes of protein-water interfacial tension from the solvent-exposed surface area and its fluctuations, and gave an independent proof for our formerly-established phenomenological model. Salt-induced structural changes of water at the protein interface were characterized, and a possible meachanism of the related kosmotropic stabilization and chaotropic destabilization of protein structure was established.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101821
Decision
Yes





 

List of publications

  
Horváth, J., Násztor, Z., Bogár, F: The interaction of ions with water: a comparison of classic and quantum models, Straub Napok, (2012), 2012
Násztor, Z., Bartha, F., Fábián, L., Leitgeb, B., Dér, A., Bogár, F.: Hofmeister-aktív sók hatása a Trp-cage minifehérje határfelületi tulajdonságaira, Magyar Biofizikai Társaság XXIV. Kongresszusa., p. 82., 2013
Balázs Szalontai, Gergely Nagy, Sashka Krumova, Elfrieda Fodor, Tibor Páli, Stefka G. Taneva, Győző Garab, Judith Peters, András Dér: Hofmeister ions control protein dynamics, Biochimica et Biophysica Acta 1830 4564–4572, 2013
Bogár F.; Bartha F.; Násztor Z.; Fábián L.;, Leitgeb B.;, Dér A.: On the Hofmeister Effect: Fluctuations at the Protein–Water Interface and the Surface Tension, J. Phys. Chem. B, 118, 8496-8504., 2014
Ferenc Bogár, Zoltán Násztor, Ferenc Bartha, Balázs Leitgeb, László Fábián, András Dér: Protein-Water Interfacial Tension Drives Hofmeister Effects, Biophysical Journal, 106, 664a, 2014
Zoltán Násztor, Ferenc Bartha, László Fábián, Balázs Leitgeb, András Dér and Ferenc Bogár: Computational study of the Hofmeister effect on the Trp-cage miniprotein, Straub Napok, 2014. május 28.-29., Szeged, 2014
Khorosyy, P., Zimányi, L., Dér A: Effect of Hofmeister cosolutes on the photocycle of photoactive yellow protein at moderately alkaline pH, J. Photocem. Photobiol. B, 120: 111-119., 2013
Balázs Szalontai, Gergely Nagy, Sashka Krumova, Elfrieda Fodor, Tibor Páli, Stefka G. Taneva, Győző Garab, Judith Peters, András Dér: Hofmeister ions control protein dynamics, Biochimica et Biophysica Acta 1830 4564–4572, 2013
Bogár F.; Bartha F.; Násztor Z.; Fábián L.;, Leitgeb B.;, Dér A.: On the Hofmeister Effect: Fluctuations at the Protein–Water Interface and the Surface Tension, J. Phys. Chem. B, 118, 8496-8504., 2014
Szalontai B., Dér A.: A víz szerepe fehérje-fehérje és membrán-fehérje kölcsönhatásokban, MBFT Vándorgyűlés 2015, kivonat: Magyar Tudomány, 2015
Khorosyy, P., Zimányi, L., Dér A: Effect of Hofmeister cosolutes on the photocycle of photoactive yellow protein at moderately alkaline pH, J. Photocem. Photobiol. B, 120: 111-119., 2013
Dér, A: of interfacial water structure on protein conformation and function., In: Regional Biophysics Conference 2012. Book of Abstracts., p. 18., 2012
Walter, F., Valkai, S., Kincses, A., Petneházi, A., Czeller T., Veszelka, Sz., Ormos, P., Deli M.A., Dér A.: A versatile lab-on-a-chip tool for modeling biological barriers, Sensors and Actuators B: Chemical 222: pp. 1209-1219, 2016
Násztor, Z., Fábián, L., Leitgeb, B., Dér, A., Bogár, F: Influence of NaF and NaClO4 salts on the stability of Trp-cage miniprotein: a computational study., In: Regional Biophysics Conference 2012. Book of Abstracts., p. 65., 2012
Fábián, L., Násztor, Z., Leitgeb, B., Bogár, F., Dér, A.: Effect of Hofmeister-salts on the unfolding of Trp-cage miniprotein followed by CD-spectroscopy, In: Regional Biophysics Conference 2012. Book of Abstracts., p. 67., 2012
Násztor, Z., Fábián, L., Leitgeb, B., Dér, A., Bogár, F.: Influence of Hofmeister-active salts on the interfacial properties of Trp-cage miniprotein: a computational study., In: Modelling and Design of Molecular Materials 2012. Book of Abstracts., P70/B, 2012
Násztor Z., Bogár F., Dér A.: The interfacial tension concept, as revealed by fluctuations, CURRENT OPINION IN COLLOID & INTERFACE SCIENCE 23: pp. 29-40., 2016




 

Events of the project

  
2014-06-18 10:12:25
Résztvevők változása
2013-08-29 23:03:59
Résztvevők változása



Back »