Aqueous dispersions of protein aggregates: formation and surface properties

Abstract

Белки и их наноагрегаты способны адсорбироваться на поверхности растворов, образуя плотные пленки, которые встречаются во многих биологических системах. Среди прочих белковых агрегатов, амилоидные фибриллы глобулярных белков представляют некоторую опасность для живого организма, если образуются in vivo, так как амилоиды, длинные нитевидные агрегаты, богатые β-листами, очень устойчивы. В организме человека и животных денатурация и последующая агрегация белков приводит к образованию амилоидных отложений над клеточными мембранами, вызывая группу тяжёлых заболеваний, называемых амилоидозами. Человеческие аналоги белков лизоцима и альбумина, рассматриваемых в данной работе, также способны образовывать амилоидные отложения. Изучение фибрилл тормозится тем фактом, что методики получения амилоидов in vitro посредством контролируемой денатурации белков не позволяют получить агрегаты, морфологически соответствующие таковым из амилоидных отложений человека и животных. Однако, из-за прочности и нитевидной структуры амилоидные фибриллы представляют интерес для современного материаловедения, а также рассматриваются в качестве перспективных стабилизаторов пен и эмульсий. Основной задачей данной работы служит определение механизма формирования поверхностного слоя амилоидными фибриллами глобулярных белков бычьего сывороточного альбумина и лизоцима. Для этого были синтезированы и очищены фибриллярные агрегаты данных белков. Информация о свойствах поверхностных плёнках амилоидных фибрилл получена при помощи методов дилатационной поверхностной реологии и измерения поверхностной упругости в водных дисперсиях белковых агрегатов. Изучены адсорбционные и нанесенные пленки фибрилл бычьего сывороточного альбумина и лизоцима, найдены существенные отличия от пленок нативных белков. При повышении ионной силы в дисперсиях амилоидов формируются более плотные пленки из-за снижения электростатического барьера адсорбции. Фибриллы амилоидогенных белков образуют устойчивые поверхностные слои, но нанесенные пленки лизоцима при механических воздействиях разрушаются, в отличие от более эластичных пленок фибрилл бычьего сывороточного альбумина.

Proteins and their nanoaggregates adsorb on the surface of solutions, forming dense films that can be found in biological organisms. Among other protein aggregates, amyloid fibrils of globular proteins ought to be dangerous for a creature if accumulated in vivo. These are long filamentous aggregates rich with β-sheets. As a result of the occurrence in humans and animals, denaturation and subsequent aggregation of proteins leads to appearance of amyloid scurfs over cell membranes. It may cause a group of serious diseases called amyloidosys. The human analogs of lysozyme and albumin discussed in this paper are also able to form amyloids. Nowadays, study of fibrils is hampered by the fact that the in vitro method of obtaining amyloids by protein denaturation does not lead to aggregates morphologically equivalent to those of human and animal amyloid scurfs. However, due to their strength and filamentous structure, amyloid fibrils are of interest for modern materials science, and are also considered as foam and emulsion stabilizers. The main objective of this work is to determine the mechanism of surface layer formation of bovine serum albumin and lysozyme amyloid fibrils. For this, fibrillar aggregates of the proteins were synthesized and purified. Information about the film formation properties of amyloid fibrils was obtained using dilatation surface rheology methods and measurements of surface elasticity in aqueous fibril dispersions. The adsorbed and sprayed films of bovine serum albumin and lysozyme amyloids were studied, significant deviations from native protein films were found. Increase of ionic strength in amyloid dispersions cause formation of more dense films due to lower electrostatic adsorption barrier. Fibrils of amyloidogenic proteins form stable surface layers, but the spread lysozyme fibril films are destroyed under mechanical stress, in contrast to the more elastic films of bovine serum albumin fibrils.