Forskningsprojekt
Information om proteinveckning är extremt viktig i både grundvetenskapligt och medicinskt avseende. Flera mänskliga sjukdomar beror på proteiner som felveckas och klumpar ihop sig med varann.
I levande organismer behövs en mängd proteiner för att utföra kemiskt och mekaniskt arbete. För att utföra sin funktion måste varje proteinkedja veckas till en specifik struktur, i princip ett hoprullat garnnystan. I detta projekt tar vi ett steg närmare den riktiga situationen i levande organismer och studerar hur cellmiljön påverkar proteiners veckning, form och funktion.
En cell är inte en ”påse vatten” utan mer en ”gele”, full med olika stora molekyler. Den totala mängden stora molekyler i en cell kan motsvara upp till 40 procent av den totala volymen vilket ger mindre volym till proteinerna att vecka sig i.
Detta grundvetenskapliga projekt ämnar studera hur proteinveckning påverkas av den omgivande miljön i cellen. Proteiner är långa kedjor av aminosyror, som sätts ihop utifrån DNA koden i vårt genetiska material. Det finns 20 olika aminosyror med varierande kemisk sammansättning vilket ger varje protein ett unikt useende. För att fungera måste varje proteinkedja veckas till en specifik globulär struktur, i princip ett hoprullat garnnystan. Det finns flera tusen olika proteiner i våra celler som alla har olika form och därmed olika funktion. Den funktionella, globulära formen av varje protein hålls ihop av en mängd små krafter, t.ex. hydrofoba (oljeliknande grupper som inte vill vara nära vatten) och elektrostatiska (plus- och minusladdade grupper som attraherar varandra) krafter. Vad som styr hur proteiner veckar ihop sig, och hur snabbt detta går, har studerats intensivt under många år i provrörsexperiment med isolerade proteiner. Dessa forsök tar dock inte hänsyn till den biologiska miljön där proteinerna normalt veckar sig. En cell är inte en ”påse vatten” utan mer en ”gele”, full med olika stora molekyler (olika proteiner, DNA, membraner, ribosomer etc.). Den totala mängden stora molekyler i en cell kan vara upp till 400 mg per ml lösning, vilket motsvarar ungefär 40 % av den totala volymen. Teoretiska beräkningar indikerar att denna reduktion av tillgänglig volym (”crowding”) kan ha stora effekter på både fysiska och kemiska reaktioner, eftersom strukturer och komplex som tar upp minst volym kommer att favoriseras termodynamiskt.
Vi planerar att systematiskt studera hur cell-liknande miljöer påverkar proteiners veckning, form och funktion. Vi har valt 3 modellproteiner (azurin, flavodoxin och myoglobin) som alla har karaktäriserats tidigare (av oss) i utspädd lösning. Varje protein binder en ”kofaktor”, d.v.s. en liten ligand som ger proteinet sin unika funktion; varje protein har en specifik form och veckningsmekanismen i vattenlösning är olika för de tre. Med dessa system kan vi systematiskt undersöka hur olika proteinformer påverkas av cell-liknande miljöer och hur kofaktorbinding påverkas då kofaktorn är en metalljon, en organisk grupp eller en blandning av metall och organisk molekyl. Vi kan även utnyttja kofaktorerna (som kan transportera elektroner och binda t.ex. syre) för att studera hur bra proteinerna fungerar i olika miljöer. För att skapa cell-liknande miljöer i våra provrör använder vi inerta syntetiska polymerer baserade på sockerkedjor. Dessa polymerer är utmärkta ”crowding agents” eftersom de inte växelverkar med proteiner, har inga spektroskopiska signaler, som överlappar med proteinernas, samt att deras storlek och form kan varieras. För att studera egenskaper hos de tre proteinerna använder vi en mängd biofysikaliska metoder, t.ex. spektroskopi (ljusabsorption hos molekyler), kalorimetri (reaktionsvärme) och datasimuleringar i kombination med molekylär biologi för att inkorporera mutationer i proteinerna.
Projketet är uppdelat i fyra delsteg. I Steg 1 ska vi undersöka hur ”crowding” påverkar proteinstabilitet som funktion av form, kofaktor och veckningsmekanism. I Steg 2 ska vi identifiera hur formen på proteinet påverkas av ”crowding”. Våra preliminära studier ledde till en överraskande upptäckt: proteiner blir mer strukturerade i cellmiljö jämfört med i vattenlösning och, om proteinet är osymmetriskt ändras formen i cellmiljön. Dessa egenskaper kan ha stort inflytande på proteiners biologiska aktivitet. I Steg 3 ska vi undersöka hur hastigheten och mekanismen för veckningsprocessen påverkas av ”crowding”. Vår hypotes är att det går snabbare att vecka proteinerna upp till en viss nivå av ”crowding”, sedan saktar veckningen av och proteinerna börjar istället klumpa ihop sig. Slutligen, i Steg 4, ska vi testa hur effektivt proteinerna arbetar i olika cell-liknande miljöer.
Detta grundvetenskapliga projekt kan öka den allmänna kunskapen om hur proteiner ser ut och fungerar inne i celler. Idag finns ingen information om hur cellmiljön förändrar proteiners form och funktion och inte heller hur veckningshastighet och utseendet av tillfälliga former som existerar under själva veckningsprocessen påverkas. Resultaten av vårt projekt kan dessutom lägga en fundamental grund för förståelse av sjukdomar som involverar binding av kofaktorer och proteinfelveckning; processer som troligtvis stimuleras av ”crowding” inne i cellerna.
