Logo Narodowego Centrum Nauki

Projekt badawczy NCN Opus nr 2013/11/B/NZ1/02258

Stabilność białek w wodnych roztworach osmolitów w oparciu o komplementarne podejście eksperymentalne i teoretyczne

Kierownik projektu: prof. dr hab. inż. Janusz Stangret

Streszczenie projektu

Celem projektu jest wgląd w molekularny mechanizm, przez który osmolity wpływają na strukturę i stabilność temperaturową białek oraz wyjaśnienie roli wody w tym mechanizmie. Główny cel projektu zostanie osiągnięty, jeśli zostaną osiągnięte następujące cele cząstkowe dotyczące: (1) charakterystyki wpływu różnych osmolitów na stabilność temperaturową białek (przy pomocy metody mikrokalorymetrycznej DSC); (2) charakterystyki wpływu tych białek i osmolitów na strukturę wody (za pomocą metod obliczeniowych i spektroskopii w podczerwieni); (3) bezpośredniej analizy słuszności proponowanego modelu wpływu osmolitów na białka na poziomie mikroskopowym, wykorzystując analizę zmienności entalpii swobodnej procesu rozwijania białka na podstawie symulacji metodami dynamiki molekularnej.

Stabilność strukturalna biocząsteczek jest kluczowym problemem współczesnej biotechnologii i powiązanych z nią gałęzi nauki i przemysłu. Delikatna równowaga pomiędzy formą natywną i zdenaturowaną biocząsteczki często determinuje zdolność do pełnienia jej fizjologicznych funkcji. Zaburzenie tej równowagi może prowadzić do niekorzystnych procesów, takich jak agregacja, która jest powodem np. chorób prionowych (np. choroby Creuzfelda-Jacoba i wielu innych). Możliwość łatwego sterowania stabilnością biocząsteczek wciąż pozostaje dla nas niedostępna lub jest kwestią przypadku. Tematyka stabilizacji biocząsteczek (głównie białek) jest z pewnością jedną z najważniejszych we współczesnej nauce. Połączone wyniki badań eksperymentalnych i obliczeniowych nad stabilnością białek i ich strukturą w wodnych roztworach osmolitów z pewnością dadzą szczegółowy obraz oddziaływań w tego typu układach. Wszystkie eksperymenty i symulacje zostały tak zaprojektowane, aby zweryfikować zaprezentowaną hipotezę, a także aby zaproponować spójny mechanizm wpływu osmolitów na stabilność białek.

Publikacje powstałe w ramach projektu

  1. M. Stasiulewicz, A. Panuszko, M. Śmiechowski, P. Bruździak, P. Maszota, J. Stangret. Effect of urea and glycine betaine on the hydration sphere of model molecules for the surface features of proteins. J. Mol. Liquids 2021, 324, 115090.
  2. P. Bruździak, A. Panuszko, B. Piotrowski, J. Stangret. Structural changes of a simple peptide—Trpzip-1—in aqueous solutions and the corresponding hydration phenomena under the influence of temperature. J. Mol. Liquids 2019, 277, 532–540.
  3. B. Adamczak, M. Kogut, J. Czub. Effect of osmolytes on the thermal stability of proteins: replica exchange simulations of Trp-cage in urea and betaine solutions. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 11174–11182.
  4. P. Bruździak, A. Panuszko, E. Kaczkowska, B. Piotrowski, A. Daghir, S. Demkowicz, J. Stangret. Taurine as a water structure breaker and protein stabilizer. Amino Acids 2018, 50, 125–140.
  5. B. Adamczak, M. Wieczór, M. Kogut, J. Stangret, J. Czub. Molecular basis of the osmolyte effect on protein stability: a lesson from the mechanical unfolding of lysozyme. Biochem. J. 2016, 473, 3705–3724.
  6. A. Panuszko, P. Bruździak, E. Kaczkowska, J. Stangret. General Mechanism of Osmolytes’ Influence on Protein Stability Irrespective of the Type of Osmolyte Cosolvent. J. Phys. Chem. B 2016, 120, 11159–11169.
  7. P. Bruździak, A. Panuszko, M. Jourdan, J. Stangret. Protein thermal stabilization in aqueous solutions of osmolytes. Acta Biochim. Pol. 2016, 63, 65–70.
  8. A. Panuszko, B. Adamczak, J. Czub, E. Gojło, J. Stangret. Hydration of amino acids: FTIR spectra and molecular dynamics studies. Amino Acids 2015, 47, 2265–2278.
  9. P. Bruździak, B. Adamczak, E. Kaczkowska, J. Czub, J. Stangret. Are stabilizing osmolytes preferentially excluded from the protein surface? FTIR and MD studies. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 23155–23164.

Doniesienia konferencyjne

  1. M. Stasiulewicz, A. Panuszko, J. Stangret. Spectroscopic investigation of water structure around betaine. XIVth International Conference on Molecular Spectroscopy (ICMS 2017), Białka Tatrzańska, 2017.
  2. B. Piotrowski, A. Panuszko, S. Demkowicz, J. Stangret. Taurine hydration – a spectroscopic approach. XIVth International Conference on Molecular Spectroscopy (ICMS 2017), Białka Tatrzańska, 2017.
  3. P. Maszota, M. Śmiechowski. "Specjalna" woda w wodnych roztworach osmolitów. XLV Ogólnopolska Szkoła Chemii, Rozewie, 2017.
  4. P. Maszota, M. Śmiechowski. Hydratacja mocznika i 1,1-dimetylomocznika na podstawie symulacji metodą dynamiki molekularnej. XLIV Ogólnopolska Szkoła Chemii, Koszuty, 2016.
  5. M. Śmiechowski, P. Maszota, A. Panuszko, J. Stangret. Infrared spectra of solute-affected water in aqueous solutions of urea and its N-methyl derivatives – experiment vs simulations. 52nd Symposium on Theoretical Chemistry (STC 2016), Bochum, Niemcy, 2016.
  6. E. Kaczkowska, A. Daghir, P. Bruździak, J. Stangret. Taurine-lysozyme interactions – FTIR studies. 33rd European Congress on Molecular Spectroscopy (EUCMOS 2016), Szeged, Węgry, 2016.
  7. B. Adamczak, M. Wieczór, M. Kogut, J. Stangret, J. Czub. The origin of the effect of osmolytes on protein stability. 10th European Biophysics Congress (EBSA 2015), Drezno, Niemcy, 2015.
  8. B. Adamczak, M. Wieczór, J. Stangret, J. Czub. How does betaine stabilize the folded state of proteins? 58 Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemicznego, Gdańsk, 2015.