Lipid-protein interactions, and dynamics in model and biological membranes. The development of a new experimental nano-technologic device to study structure and functioning of membrane-proteins.
Lipid-fehérje kölcsönhatás és dinamika vizsgálata modell és biológiai membránokban. Egy új, nanotechnológiás, membránfehérje vizsgáló rendszer kifejlesztése.
Title in English
Lipid-protein interactions, and dynamics in model and biological membranes. The development of a new experimental nano-technologic device to study structure and functioning of membrane-proteins.
Keywords in Hungarian
lipid, membránfehérje, lipid-fehérje kölcsönhatás, membrán dinamika, infravörös spektroszkópia, polielektrolit filmek
Keywords in English
Lipid, protein, lipidüprotein interaction, membrane dymamics, infrared spectroscopy, polyelectrolyte films
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Bérczi, Alajos Kóta, Zoltán Pilbat, Ana-Maria Szegletes, Zsolt Szűts, Viktória Zimányi, László
Starting date
2009-01-01
Closing date
2012-12-31
Funding (in million HUF)
12.927
FTE (full time equivalent)
5.65
state
closed project
Summary in Hungarian
A több tízezer atomi felbontásban ismert szerkezetű fehérjéből mindössze néhány tucat a membránfehérje. Ennek az az oka, hogy membránok rendkívül összetett képződmények, ahol a fehérjék a lipidekkel együtt alkotnak funkcionális egységeket. Ezért a membránfehérjék külön, magukban, igen nehezen vizsgálhatóak, és mindig kérdéses, hogy az esetleg kapott eredmények milyen viszonyban vannak a valóságos viszonyokra jellemzőkkel. A probléma megoldására két, egymással összefüggő lehetőség kínálkozik. Egyrészt a biológiai membránok vizsgálata, úgy, ahogy vannak, egyes tulajdonságaikra szelektíven érzékeny módszerek alkalmazásával. A másik, olyan modell rendszerek kialakítása, amelyek a természeti körülményeket a lehető leginkább megközelítve teszik lehetővé kiválasztott fehérjék, folyamatok vizsgálatát. E stratégiának megfelelően, egyrészt, biológiai membránokban az eredeti szerkezetet egyáltalán meg nem változtató módszerrel, infravörös spektroszkópiával vizsgáljuk a fehérjék és a lipidek szerkezetét, kölcsönhatását. Másrészt, olyan modellrendszereket fejlesztünk ki, ahol a sejtekben meglévő, a biológiai membránokat kifeszítő fehérjékből álló „vázat” mesterségesen, molekulánként, nanotechnológiai módszerekkel készítjük el, és erre feszítünk fel egy mesterséges lipid membránt, amibe be tudjuk ágyazni a vizsgált fehérjéket. Az így kialakított rendszereket sokoldalúan (Infravörös spektroszkópia, atomerő mikroszkópia, optikai hullámvezető mérések, elektrokémiai mérése, stb.) jellemezzük. Pályázatunk célja egy olyan membrán-modell rendszer kidolgozása polipeptid filmek felszínén, ami a biológiai membránoknak az eddigieknél jobb modellje lehet, képes működőképes hibrid (félig természetes, félig mesterséges elemekből álló) rendszerek kialakítására, aminek révén tanulmányozhatunk, pl. membránfehérjéket, lipid tutajokon szervezett fehérje együtteseket, fehérjék közti kölcsönhatásokat. A kísérleti rendszer kidolgozása során mindig olyan peptideket, fehérjéket, lipideket stb. fogunk használni, amelyeknek közvetlen gyakorlati jelentősége is lehet.
Summary
From the tens of thousands of proteins, whose structure is known in atomic resolution, only a few dozens are membrane proteins. The reason for this unbalance is that membranes are extremely complex systems where proteins and lipids together form functional units. Therefore, the investigation of isolated membrane proteins is difficult, and in many cases it is questionable whether the obtained results were relevant in vivo. This problem can be addressed by two ways: Firstly, the application of biological membranes by such methods, which are selective to certain properties. Secondly, by the development model systems, which are as similar to the real ones as possible, and which permit the selective investigation of the membrane components. According to this strategy, we investigate different properties of the biological membranes (structure, dynamics, functioning, etc. both of proteins and lipids) by a non-invasive method, Fourier transform infrared spectroscopy. On the other hand, we are developing model systems, where the cytoskeleton of the cell is mimicked by a protein-like surface made by nanotechnologic methods molecule by molecule, and the model membrane is formed on this surface. The aim of our present project is developing a model-system on the surface of polypetide films, which can be better model of biological membranes. We would like to construct functional hybrid systems, where natural molecule complexes are combined artificially, or artificial components are added. With such systems we want to study selected membrane proteins, lipids. For the studies always such components will be selected, where the understanding of the functioning has evident practical consequences as well.
Final report
Results in Hungarian
Összehasonlítva a biológiai membránokban a lipid-, illetve a fehérje-dinamika, illetve a fehérjék másodlagos szerkezetváltozásainak hőmérsékletfüggését, megállapítottuk, hogy alacsony hőmérsékleti stressz körülményei között elsősorban a lipidek, magas hőmérsékleti stressz esetén pedig a fehérjék dinamika/szerkezet változásai a meghatározóak a biológiai membrán viselkedésében. (PMC Biophysics (2009) 2:1, Biochemistry (2009) 48, 10120-10128)
Polielektrolitokból készített, tetszőlegesen töltött felszíneken felépített egy-molekula vastagságú kazein rétegek adszorpciójának nyomon követésével meghatároztuk a Ca-foszfát szállításáért felelős kazein micellák kialakulásának mechanizmusát. Megmutattuk, hogy a kazein micellák belsejében levő α-kazein molekulák foszfoszeril csoportjaihoz kapcsolódnak a Ca-foszfát nanoklaszterek, amikhez a további α-kazeinek pozitív csoportjaikkal kötődnek. Az α-kazeinek hidrofób csoportjainak kölcsönhatása révén, kis, kb. 20 nm-es aggregátumok alakulnak ki, amelyeket a Ca-foszfát nanoklaszterek kapcsolnak össze. A micellák felszínére κ-kazein molekulák tapadnak, amik “lágyabb“ szerkezetük révén befedik azokat a pontokat az α-kazeinek felszínén, amik a további akár α-kazein, akár Ca-foszfát kötődéshez kellenek, és így a micella képződése befejeződik, felszínét κ-kazein molekulák borítják, amik nem érzékenyek a Ca-ionokra, mint az α-kazein, így a micellák nem csapódnak ki.
( JBC (2010) 285, 38811-38817, Eur Biophys J(2012) 41:959-968)
Results in English
Using Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, we have compared lipid and protein dynamics/structural changes as a function of the temperature in biological membranes. It has been shown that among low-temperature stress conditions the changes in the dynamics of the lipids, among high-temperature stress conditions the changes of the protein dynamics and secondary structure are dominant in the behaviour of the membranes. (PMC Biophysics (2009) 2:1, Biochemistry (2009) 48, 10120-10128)
By preparing polyelectrolyte films having charged surfaces, and building onto them layer-by-layer aggregated casein-Ca-phosphate complexes, we determined the mechanism of the construction of the casein micelles, the essential components of Ca-phosphate transport in mammals. We have shown that the phosphoseryl residues on the α-casein molecules are essential for binding the Ca-phosphate. The bound Ca-phosphate nanoclusters bind the next layer of the α-caseins, as so on. Hydrophobic parts of the amphiphilic molecules organize α-caseins into about 20 nm diameter aggregates, interconnected by Ca-phosphate nanoclusters. Termination of the micelle formation is achieved via the adsorption of κ-casein onto the micelle surface. Due to its “soft“ secondary structure, κ-casein can cover those parts of the α-casein molecules, which are essential for Ca-phosphate binding and further aggregation of α-caseins. (JBC (2010) 285, 38811-38817, Eur Biophys J(2012) 41:959-968)
Krisztina Nagy, Ana-Maria Pilbat, Géza Groma, Balázs Szalontai*, and Frédéric J. G. Cuisinier: Casein aggregates built step-by-step on charged polyelectrolyte film surfaces are calcium phosphate-cemented, Journal of Biological Chemistry (2010) 285, 38811-38817, 2010
Krisztina Nagy, György Váró, Balázs Szalontai: κ-Casein terminates casein micelle build-up by its ‘‘soft’’ secondary structure, Eur Biophys J (2012) 41:959-968, 2012
Balázs Szalontai, Ildikó Domonkos, and Zoltán Gombos: The Role of Membrane Structure in Acclimation to Low-Temperature Stress, Advances in Photosynthesis and Respiration, Vol.34. Photosynthesis - Plastid Biology, Energy Conversion and Carbon Assimilation, Springer, DOI 10.1007/978-94-007-1579-0, 2012
