Relazioni di Attività di Conformazione: Perché le Molecole Deformano?

Dott. Gerry Ronan, CEO, Gruppo Farfield Srl.
Autore Corrispondente: gronan@farfield-group.com

Sfondo

La Biochimica è caratterizzata da debole, non covalente, obbligazioni fra i grandi biopolimeri che continuamente sono fatti e rotti alle concentrazioni varianti della reazione. Le forze di interazione, caratterizzate dal tipo forze di van der Waal possono variare dalla distanza di interazione alla potenza di 6 e quindi l'abilità di una molecola a “si è adattata„ o si conforma alla forma di un popolare o la casella su un altro determina la reazione.

Per Contro, un partner obbligatorio può distorcere la conformazione di una biomolecola (per esempio una proteina) per permettere o rendere non valida ad un'attività biochimica potenziale quindi che regolamenta la reazione. Effettivamente, questo è i locali di base dietro intervento farmaceutico dove le piccole molecole sono progettate affinchè la loro capacità interagiscano e di distorcere selettivamente la conformazione di una proteina bersaglio implicata in un meccanismo di malattia.

L'Interferometria di Doppio-Polarizzazione (DPI) misura la conformazione di una proteina misurando il suo diametro (o dimensione) e la densità (cioè, la sua massa per volume unitario o quanto strettamente profilatura è) coppia la proteina ad una lastra di vetro e sondando facendo uso dell'ottica non a diffrazione. Il metodo risolve la conformazione della proteina alle dimensioni subatomiche (bene inferiore a 0,1 Å) in tempo reale ed ha un'accettazione crescente fra i ricercatori nel campo della caratterizzazione delle proteine, una disciplina essenziale nella scienza del proteomics.

In Farfield, il nostro lavoro negli ultimi dieci anni ha girato intorno alla misura diretta della forma o alla conformazione delle biomolecole e come questo cambia mentre le biomolecole funzionano. Questa capacità di riflettere la Relazione di Attività di Conformazione (CAR) è manifestata in uno strumento analitico del benchtop conosciuto come un Interferometro Doppio di Polarizzazione1 che misura la dimensione e la densità molecolari del popolare (e quindi ammassi) delle biomolecole d'interazione catturate su una lastra di vetro. La tecnica ha risoluzione del picometer, è in tempo reale e contrassegna liberamente e già ha un userbase crescente attraverso 19 paesi universalmente.

L'Importanza delle Relazioni di Attività di Conformazione (CAR)

Per esempio nella progettazione farmaceutica, una volontà convenzionale di programma di 'screening'della droga seleziona i candidati a partire da una libreria di molto mille se non milioni in base alla loro capacità di attaccare selettivamente all'obiettivo della proteina (come implicato nel meccanismo di malattia), citata come l'affinità dell'interazione. Un'alta interazione di affinità può accadere alle concentrazioni molto basse del candidato e quindi il candidato è meno probabile indurre gli effetti secondari altrove. Tuttavia, l'alta affinità non dà assicurazione che il candidato sta conformandosi la biomolecola correttamente o affatto. Non sarebbe migliore avere una molecola più bassa di affinità, inducente la conformazione corretta per l'attività desiderata che potrebbe poi essere ottimizzata (da assistenza tecnica molecolare) per migliorare la sua affinità?

Un esempio semplice è indicato sotto dove una proteina bersaglio (proteina del prione come implicata nel nvCJD) è sfidata dalle concentrazioni differenti di una serie di ioni del metallo. Dalla massa dello ione del metallo associata ad ogni concentrazione l'affinità (e stechiometria) possono essere misurate. Comunque dai profili uno di densità e di dimensione può vedere immediatamente che il cobalto non distorce la molecola mentre zinco, che ha una simile affinità, fa.

Ancora, il cambiamento conformazionale evidente nel caso di rame (un consolidamento indicato come una diminuzione nella dimensione della proteina ed aumento nella sua densità) completamente non inverte (cioè ha lanciato in una conformazione o in un'isoforma stabile differente) mentre il cambiamento conformazionale con zinco inverte completamente. Tre Relazioni differenti di Attività di Conformazione da tre interazioni con simile affinità.

Figura 1. Esempi delle Relazioni differenti di Attività di Conformazione per le interazioni obbligatorie di simile affinità degli ioni del metallo che legano alla proteina del prione (PrP). Sono Indicati la massa dell'associazione e della dissociazione degli ioni differenti del metallo alle concentrazioni differenti (da cui l'affinità di interazione può essere calcolata) ed i profili corrispondenti di densità e di dimensione (da cui i cambiamenti conformazionali possono essere misurati). Il cambiamento conformazionale massimo (Cu) è 0.04nm ed ogni sfida era un'iniezione minuta 5. (Cortesia di Dati di Gifu Università, del Giappone)

Cambiamenti Conformazionali in Pellicole Sottili

La materia Molle (per esempio polimeri) è egualmente conforme alle simili deformazioni e spesso è questa natura malleabile che è la funzionalità di definizione al nanoscale. L'Interferometria Doppia di Polarizzazione (DPI) è egualmente capace di caratterizzazione dei questi cambiamenti in polimeri, misurando sia lo spessore di pellicola che l'Indice di rifrazione e l'accordo con altre tecniche analitiche quale il riflesso del neutrone e ellipsometry è2 eccellenti come appare sotto Figura 2. A Differenza di ellipsometry, tuttavia, DPI determinerà lo spessore e RI indipendentemente da a vicenda arbitrariamente agli strati sottili ed a differenza dei dati del neutrone, farà questo in tempo reale in un formato del benchtop con sia i canali di controllo che sperimentali.

Figura 2. Confronto di DPI e misure di ellipsometery di una costruzione a più strati del polielettrolito. Ad accordo spesso dei livelli per spessore (d) e l'Indice di rifrazione (n) è eccellenti. Agli spessori diminuiti ellipsometry richiede la conoscenza del RI (o dello spessore) per calcolare lo spessore (o RI) mentre DPI può misurare arbitrariamente gli strati sottili che rivelano l'oscillazione nella densità connessa con positivo alterno e negativamente - giacimento fatto pagare dei livelli. (Cortesia di Dati di YKI, Stoccolma)

Molti altri esempi di tali costruzioni montate auto sono stati per esempio multilayers studiati, 3chitosan/eparina4e polielettroliti del DNA5,6.

Naturalmente ci sono molti tipi di riorganizzazioni conformazionali di interesse che non comprendono un evento obbligatorio. Il gonfiore del Polimero dovuto il cambiamento del pH è un tale trattamento che può essere caratterizzato rapidamente e facilmente ancora ad una risoluzione connessa normalmente con “grande fisica„. Un esempio semplice è indicato nella Figura 3 dove una pellicola sottile catturata superficie di poli (allylamine) è studiata attraverso un intervallo dei pH. A basso pH, la protonazione del polimero induce il livello a gonfiare mentre ad a pH elevato i contratti del livello e gli aumenti di densità.

Figura 3. gonfiore del Polimero dovuto la protonazione come misurata dall'Interferometria Doppia di Polarizzazione

Queste misure possono anche essere estendere ai biopolimeri in cui le transizioni da un'isoforma all'un altro ed anche la stabilità di isoforma possono essere caratterizzate in una matrice delle temperature differenti, dei pH, delle forze ioniche, dei solventi o di altre circostanze ambientali o refolding.

Il Futuro dell'Interferometria Doppia di Polarizzazione

Dalla sua introduzione nel 20037, l'Interferometria Doppia di Polarizzazione è stata adottata da una vasta gamma di ricercatori intorno al mondo in sia vita che scienze fisiche. La Sua capacità di misurare e caratterizzare la conformazione molecolare a sotto risoluzione atomica ha creato le opportunità fondamentalmente nuove per la ricerca nana e bio- di scienza. L'ultima generazione di strumentazione, la Bio- Stazione di lavoro 4D è capace di una temperatura estesa a 65°C che permette la misura della colata della proteina e di altre transizioni di fase molecolari.

Caratterizzando la cinetica e l'affinità delle interazioni alle temperature differenti è egualmente possibile quantificare l'energia libera, l'entalpia e l'entropia non solo legare ma anche di cambiamenti conformazionali8. Ciò permette per la prima volta la misura diretta di affinità, di cinetica, della termodinamica e del cambiamento conformazionale dell'associazione o semplicemente di refolding in un singolo esperimento.

Figura 4. Uno strumento Doppio del benchtop dell'Interferometro di Polarizzazione con l'introduzione automatizzata del campione.

In futuro il più alta capacità di lavorazione ed i più piccoli volumi di campione saranno richiesti per schermare le applicazioni ma ci sono molti altri livelli di informazioni spettroscopiche che possono anche essere extracted.from la Bio- Stazione di lavoro 4D. La Misura molto di nucleazione di cristallo della proteina della fase iniziale9 già è stata dimostrata facendo uso di perdita ottica mentre la birifrangenza ora sta usanda per misurare l'ordine ed il disordine in doppii strati lipidici10 per caratterizzare le interazioni del lipido della proteina. 11La Nostra visione per la decade prossima è di migliorare la fedeltà della caratterizzazione in queste dimensioni pure vero per illuminare il mondo molecolare!


Riferimenti

1. Swann M.J., Freeman N.J, Interferometria Trasversale di G. Dual Polarization: Una Tecnica Ottica In tempo reale per la Misurazione Orientamento, Struttura e della Funzione Molecolari (Bio-) Interfaccia Solida/Liquida. In: Manuale dei Biosensori e dei Biochips, Insieme di Volume 2 (2007). Eds: R.S. Marks, C.R. Lowe, D.C. Cullen, H.H. Weetall, I. Karube. Wiley, ISBN: 978-0-470-01905-4, Vol1, parte 4, ch33, pp549-568.
2. Halthur T., Claessen P., Elofsson U., Immobilizzazione della Proteina del Derivato della Matrice dello Smalto sul Polipeptide Multilayers, Misure in situ Comparative Facendo Uso di Ellipsometry, Microbilancia dell'A Cristallo di Quarzo con Dissipazione e l'Interferometria di Doppio-Polarizzazione. Langmuir (2006) 22(26) 11065-71.
3. Lee L., Johnston A.p., Caruso F., Manipolando il sale e la stabilità termica delle pellicole a più strati del DNA via la lunghezza dell'oligonucleotide. 2008) Novembre di Biomacromolecules (9(11): 3070-8. Epub 2008 1° ottobre.
4. Lundin M., Blomberg E., Tilton R D., Dinamica del Polimero in Montaggi del Livello-da-Livello del Chitosan ed Eparina, Langmuir, Articoli APPENA POSSIBILE, Data di Pubblicazione (Web): 18 novembre, (2009) (Articolo) DOI: 10.1021/la902968h.
5. Aulin C., Varga I., Claesson P.M., Wågberg L., Lindström T., Accumulazione dei multilayers del polielettrolito del polyethyleneimine e cellulosa microfibrillated studiata dall'interferometria in situ di doppio-polarizzazione e dalla microbilancia dell'a cristallo di quarzo con dissipazione. Langmuir, (2008) 18 marzo; 24(6): 2509-18. Epub (2008) 16 febbraio.
6. Corsia T.J., FletcherW. Il R., Gormally, M.V., Johal M.S., Interferometria di Polarizzazione del Doppio-Raggio Risolve gli Aspetti Meccanicistici dell'Adsorbimento del Polielettrolito. Langmuir, (2008) APPENA POSSIBILE Articolo, Data di Pubblicazione di Web: 10 settembre, (2008).
7. Swann M.J., Freeman New Jersey, Carrington S., Ronan G., Barrett P., Quantificando i Mutamenti Strutturali E Stechiometria delle Interazioni della Proteina Facendo Uso del Delineamento di Densità e di Dimensione. Lettere nella Scienza del Peptide (2003) 10 487-494.
8. Facendo Uso del van't Hoff e delle equazioni di Eyring.
9. Boudjemline A., Clarke D.T., Freeman New Jersey, Nicholson J.M., Jones G.R., Fasi iniziali di cristallizzazione della proteina come rivelatore da tecnologia ottica emergente J. Appl della guida d'onda. Cryst. (2008). 41, 523-530. doi: 10.1107/S0021889808005098.
10. Mashaghi A., Swann M., Popplewell J., Textor M., Reimhult E., anisotropia Ottica delle strutture di supporto del lipido sondate dalla spettroscopia della guida d'onda e la sua applicazione allo studio sulla cinetica di supporto di formazione di doppio strato lipidico, Anale. Chim., 80 (10), 3666-3676, (2008). PMID: Data di Pubblicazione di Web 18517221: 19, Aprile. (2008); (Articolo) DOI: 10.1021/ac800027s.
11. Sanghera N., Swann M.J., Ronan G., Pinheiro T.J., Visione degli eventi iniziali nell'aggregazione della proteina del prione sulle membrane del lipido, Biochimica et Acta di Biophysica (BBA) - Biomembranes, Volume 1788, Emissione 10, Ottobre (del 2009), Pagine 2245-2251.

Copyright AZoNano.com, Dott. Gerry Ronan (Gruppo Farfield)

Date Added: Feb 14, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:17

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