Macromolecular assembly of polycystin-2 intracytosolic C-terminal domain

Mutations in PKD2 are responsible for approximately 15% of the autosomal dominant polycystic kidney disease cases. This gene encodes polycystin-2, a calcium-permeable cation channel whose C-terminal intracytosolic tail (PC2t) plays an important role in its interaction with a number of different proteins. In the present study, we have comprehensively evaluated the macromolecular assembly of PC2t homooligomer using a series of biophysical and biochemical analyses. Our studies, based on a new delimitation of PC2t, have revealed that it is capable of assembling as a homotetramer independently of any other portion of the molecule. Our data support this tetrameric arrangement in the presence and absence of calcium. Molecular dynamics simulations performed with a modified all-atoms structure-based model supported the PC2t tetrameric assembly, as well as how different populations are disposed in solution. The simulations demonstrated, indeed, that the best-scored structures are the ones compatible with a fourfold oligomeric state. These findings clarify the structural properties of PC2t domain and strongly support a homotetramer assembly of PC2.

Thermostable variants of the recombinant xylanase A from Bacillus subtilis produced by directed evolution show reduced heat capacity changes

Directed evolution techniques have been used to improve the thermal stability of the xylanase A from Bacillus subtilis (XylA). Two generations of random mutant libraries generated by error prone PCR coupled with a single generation of DNA shuffling produced a series of mutant proteins with increasing thermostability. The most Thermostable XylA variant from the third generation contained four mutations Q7H, G13R, S22P, and S179C that showed an increase in melting temperature of 20 degrees C. The thermodynamic properties Of a representative subset of nine XylA variants showing a range of thermostabilities were measured by thermal denaturation as monitored by the change in the far ultraviolet circular dichroism signal. Analysis of the data from these thermostable variants demonstrated a correlation between the decrease in the heat capacity change (Delta C(p)) with an increase in the midpoint of the transition temperature (T(m)) on transition from the native to the unfolded state. This result could not be interpreted within the context of the changes in accessible surface area of the protein on transition from the native to unfolded states. Since all the mutations are located at the surface of the protein, these results suggest that an explanation of the decrease in Delta C(p) on should include effects arising from the prot inlsolvent interface.

Design of bio-based supramolecular structures through self-assembly of α-lactalbumin and lysozyme

Bovine α-lactalbumin (α-La) and lysozyme (Lys), two globular proteins with highly homologous tertiary structures and opposite isoelectric points, were used to produce bio-based supramolecular structures under various pH values (3, 7 and 11), temperatures (25, 50 and 75 °C) and times (15, 25 and 35 min) of heating. Isothermal titration calorimetry experiments showed protein interactions and demonstrated that structures were obtained from the mixture of α-La/Lys in molar ratio of 0.546. Structures were characterized in terms of morphology by transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS), conformational structure by circular dichroism and intrinsic fluorescence spectroscopy and stability by DLS. Results have shown that protein conformational structure and intermolecular interactions are controlled by the physicochemical conditions applied. The increase of heating temperature led to a significant decrease in size and polydispersity (PDI) of α-La–Lys supramolecular structures, while the increase of heating time, particularly at temperatures above 50 °C, promoted a significant increase in size and PDI. At pH 7 supramolecular structures were obtained at microscale – confirmed by optical microscopy – displaying also a high PDI (i.e. > 0.4). The minimum size and PDI (61 ± 2.3 nm and 0.14 ± 0.03, respectively) were produced at pH 11 for a heating treatment of 75 °C for 15 min, thus suggesting that these conditions could be considered as critical for supramolecular structure formation. Its size and morphology were confirmed by TEM showing a well-defined spherical form. Structures at these conditions showed to be stable at least for 30 or 90 days, when stored at 25 or 4 °C, respectively. Hence, α-La–Lys supramolecular structures showed properties that indicate that they are a promising delivery system for food and pharmaceutical applications.

Processing of Brazil-nut flour: characterization, thermal and morphological analysis

The Brazil nut (Bertholletia excelsea H. B. K.) is noteworthy for its high content of lipids and proteins of elevated biological value and these factors justify the need for further research and incentives for the manufacturing of new trade products. In the present study we sought new forms of technological use of these nuts by the food industry, through their processing as flour, with no alteration in its energy content. The results after its elaboration showed a product with high energy value (431.48 kcal.100 g-1), protein content of 45.92 g.100 g-1, and fiber of 17.14%. The thermal analyses indicate that the introduction of another protein component, such as soy protein isolate, does not alter the reactions or thermal behavior. On the other hand, morphological analyses revealed granular structures similar to the structure of globular proteins. It was observed that after processing to obtain the flour, the product maintains its protein-energy content, as well as its characteristics when subjected to high temperatures.

The water factor in the protein-folding problem

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Automated NMR structure determination and disulfide bond identification of the myotoxin crotamine from Crotalus durissus terrificus

Crotamine is one of four major components of the venom of the South American rattlesnake Crotalus durissus terrificus. Similar to its counterparts in the family of the myotoxins, it induces myonecrosis of skeletal muscle cells. This paper describes a new NMR structure determination of crotamine in aqueous solution at pH 5.8 and 20 degrees C, using standard homonuclear (1)H NMR spectroscopy at 900 MHz and the automated structure calculation software ATNOS/CANDID/DYANA. The automatic NOESY spectral analysis included the identification of a most likely combination of the six cysteines into three disulfide bonds, i.e. Cys4-Cys36, Cys11-Cys30 and Cys18-Cys37; thereby a generally applicable new computational protocol is introduced to determine unknown disulfide bond connectivities in globular proteins. A previous NMR structure determination was thus confirmed and the structure refined. Crotamine contains an alpha-helix with residues 1-7 and a two-stranded anti-parallel beta-sheet with residues 9-13 and 34-38 as the only regular secondary structures. These are connected with each other and the remainder of the polypeptide chain by the three disulfide bonds, which also form part of a central hydrophobic core. A single conformation was observed, with Pro13 and Pro21 in the trans and Pro20 in the cis-form. The global fold and the cysteine-pairing pattern of crotamine are similar to the beta-defensin fold, although the two proteins have low sequence homology, and display different biological activities. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Steric constraints as folding coadjuvant

Through the analyses of the Miyazawa-Jernigan matrix it has been shown that the hydrophobic effect generates the dominant driving force for protein folding. By using both lattice and off-lattice models, it is shown that hydrophobic-type potentials are indeed efficient in inducing the chain through nativelike configurations, but they fail to provide sufficient stability so as to keep the chain in the native state. However, through comparative Monte Carlo simulations, it is shown that hydrophobic potentials and steric constraints are two basic ingredients for the folding process. Specifically, it is shown that suitable pairwise steric constraints introduce strong changes on the configurational activity, whose main consequence is a huge increase in the overall stability condition of the native state; detailed analysis of the effects of steric constraints on the heat capacity and configurational activity are provided. The present results support the view that the folding problem of globular proteins can be approached as a process in which the mechanism to reach the native conformation and the requirements for the globule stability are uncoupled.

Estudo do coeficiente de difusão no enovelamento de proteína

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Processing of Brazil-nut flour: characterization, thermal and morphological analysis

A castanha-do-Brasil (Bertholletia excelsea H. B. K.) destaca-se por seus elevados teores em lipídios e proteínas de alta qualidade biológica, parâmetros que justificam a necessidade de maiores pesquisas e incentivos para a elaboração de novos produtos comerciais. No presente estudo, busca-se identificar novas formas de aproveitamento tecnológico dessas amêndoas pela indústria alimentícia, através de seu processamento sobre a forma de farinha sem alteração do teor energético. Os resultados após sua elaboração mostraram um produto com alto valor energético 431,48 kcal.100 g–1, teor de proteína de 45,92 g.100 g–1 e fibra alimentar de 17,14%. As análises térmicas indicam que a introdução de outro componente proteico, como o isolado proteico de soja, não altera as reações e comportamentos térmicos. Já as morfológicas evidenciaram estruturas granulares semelhantes à estrutura das matrizes de proteínas globulares. Constata-se que, após o processamento e obtenção de farinha, o produto mantém seu alto teor energético-proteico e, ao ser submetido a altas temperaturas, mantém suas características.

Ab initio protein folding simulations using atomic burials as informational intermediates between sequence and structure

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo da interação não-nativa no enovelamento de proteínas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Funktionsaufklärung von Atmungsproteinen in Insekten

Globine sind kleine globuläre Proteine mit nahezu ubiquitärem Vorkommen in allen Tiergruppen. Sie weisen eine typische Sandwichstruktur auf, die in der Regel aus acht α-Helices mit einer zentralen prosthetischen Häm-Gruppe besteht und die Proteine zur Bindung gasförmiger Liganden befähigt. Die Funktionen der Globine reichen von O2-Transport und – Speicherung, über eine Beteiligung bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies bis hin zu sensorischen physiologischen Aufgaben. Innerhalb der Klasse der Insekten schien das Vorhandensein von Globinen zunächst auf Insekten mit offensichtlich hypoxischen Habitaten beschränkt zu sein. Die Entdeckung des Globins glob1 in Drosophila melanogaster deutete jedoch eine sehr viel weitere Verbreitung der Globine in Insekten an, die sich durch die Identifizierung von Globingenen in einer Vielzahl von normoxisch lebenden Insekten, wie z.B. Apis mellifera oder Aedes aegypti bestätigte. D. melanogaster besitzt drei Globine, glob1, glob2 und glob3. Glob1 ist eng mit anderen intrazellulären Insektenglobinen verwandt, was zu der Annahme führte, dass es sich bei glob1 um das ursprüngliche und bei glob2 und glob3 um abgeleitete D. melanogaster Globine handelt. Glob1 wird in allen Entwicklungsstadien exprimiert, wobei die Hauptexpressionsorte der Fettkörper und das Tracheensystem sind. Die Transkription des glob1 startet von zwei alternativen Promotoren (Promotor I und II), wodurch in Kombination mit alternativem Splicing vier Transkriptvarianten (Isoform A-D) entstehen, deren Translation jedoch in einer Proteinvariante (glob1) resultiert. Hypoxische Bedingungen führen zu einer vermutlich HIF (=‚hypoxia-inducible factor‘) -vermittelten Abnahme der glob1 Genexpression, wohingegen Hyperoxie eine leichte Zunahme der glob1 mRNA Menge bewirkt. Der mithilfe des UAS/Gal4- Systems erzeugte, RNAi-vermittelte glob1 Knockdown führt zu einer schlechteren Überlebensrate adulter Fliegen unter hypoxischen Bedingungen, einer verkürzten Erholungszeit nach hypoxischem Stupor in Weibchen sowie zu einer erhöhten Resistenz gegenüber dem ROS (=‘reactive oxygen species‘) -generierenden Herbizid Paraquat in Larven und adulten Weibchen. Diese Beobachtungen sprechen für eine Funktion des Drosophila glob1 innerhalb der O2-Versorgung. Unter hyperoxischen Bedingungen hingegen wurde kein Unterschied zwischen Fliegen mit wildtypischer und manipulierter glob1-Expression festgestellt, wodurch eine Beteiligung des glob1 bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies als mögliche Funktion vorerst ausscheidet. Bei glob2 und glob3 handelt es sich um duplizierte Gene. Auf phylogenetischen Rekonstruktionen basierend konnte die Entstehung der Globin-Duplikate auf ein Duplikationsereignis vor der Radiation des Subgenus Sophophora vor mindestens 40 Millionen Jahren zurückgeführt werden. Die durchgeführten Analysen zur molekularen Sequenzevolution der Globin-Duplikate deuten darauf hin, dass glob2 und glob3 nach der Duplikation eine Kombination aus Sub- und Neo-Funktionalisierungsprozessen durchlaufen haben. Glob2 und glob3 zeigen eine deckungsgleiche mRNA Expression, die auf die männliche Keimbahn beschränkt ist. Aufgrund des hohen Konservierungsgrads der für die Häm- und O2-Bindung essentiellen Aminosäuren kann von der Funktionalität beider Proteine ausgegangen werden. Die streng auf die männliche Keimbahn begrenzte Expression von glob2 und glob3 deutet auf eine Rolle der Globin-Duplikate innerhalb der Spermatogenese hin, die möglicherweise in einem Schutz der Spermatogenese vor oxidativem Stress besteht. Auch eine Beteiligung beim korrekten Ablauf der Spermien-Individualisierung, beispielsweise durch Regulation von Apoptoseprozessen wäre denkbar.

EPR spectroscopy as a tool for the elucidation of non-covalent structuring principles in complex soft matter

This thesis aims at connecting structural and functional changes of complex soft matter systems due to external stimuli with non-covalent molecular interaction profiles. It addresses the problem of elucidating non-covalent forces as structuring principle of mainly polymer-based systems in solution. The structuring principles of a wide variety of complex soft matter types are analyzed. In many cases this is done by exploring conformational changes upon the exertion of external stimuli. The central question throughout this thesis is how a certain non-covalent interaction profile leads to solution condition-dependent structuring of a polymeric system.rnTo answer this question, electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is chosen as the main experimental method for the investigation of the structure principles of polymers. With EPR one detects only the local surroundings or environments of molecules that carry an unpaired electron. Non-covalent forces are normally effective on length scales of a few nanometers and below. Thus, EPR is excellently suited for their investigations. It allows for detection of interactions on length scales ranging from approx. 0.1 nm up to 10 nm. However, restriction to only one experimental technique likely leads to only incomplete pictures of complex systems. Therefore, the presented studies are frequently augmented with further experimental and computational methods in order to yield more comprehensive descriptions of the systems chosen for investigation.rnElectrostatic correlation effects in non-covalent interaction profiles as structuring principles in colloid-like ionic clusters and DNA condensation are investigated first. Building on this it is shown how electrostatic structuring principles can be combined with hydrophobic ones, at the example of host-guest interactions in so-called dendronized polymers (denpols).rnSubsequently, the focus is shifted from electrostatics in dendronized polymers to thermoresponsive alkylene oxide-based materials, whose structuring principles are based on hydrogen bonds and counteracting hydrophobic interactions. The collapse mechanism in dependence of hydrophilic-hydrophobic balance and topology of these polymers is elucidated. Complementarily the temperature-dependent phase behavior of elastin-like polypeptides (ELPs) is investigated. ELPs are the first (and so far only) class of compounds that is shown to feature a first-order inverse phase transition on nanoscopic length scales.rnFinally, this thesis addresses complex biological systems, namely intrinsically disordered proteins (IDPs). It is shown that the conformational space of the IDPs Osteopontin (OPN), a cytokine involved in metastasis of several kinds of cancer, and BASP1 (brain acid soluble protein one), a protein associated with neurite outgrowth, is governed by a subtle interplay between electrostatic forces, hydrophobic interaction, system entropy and hydrogen bonds. Such, IDPs can even sample cooperatively folded structures, which have so far only been associated with globular proteins.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

BETASCAN: probable beta-amyloids identified by pairwise probabilistic analysis

Amyloids and prion proteins are clinically and biologically important beta-structures, whose supersecondary structures are difficult to determine by standard experimental or computational means. In addition, significant conformational heterogeneity is known or suspected to exist in many amyloid fibrils. Recent work has indicated the utility of pairwise probabilistic statistics in beta-structure prediction. We develop here a new strategy for beta-structure prediction, emphasizing the determination of beta-strands and pairs of beta-strands as fundamental units of beta-structure. Our program, BETASCAN, calculates likelihood scores for potential beta-strands and strand-pairs based on correlations observed in parallel beta-sheets. The program then determines the strands and pairs with the greatest local likelihood for all of the sequence's potential beta-structures. BETASCAN suggests multiple alternate folding patterns and assigns relative a priori probabilities based solely on amino acid sequence, probability tables, and pre-chosen parameters. The algorithm compares favorably with the results of previous algorithms (BETAPRO, PASTA, SALSA, TANGO, and Zyggregator) in beta-structure prediction and amyloid propensity prediction. Accurate prediction is demonstrated for experimentally determined amyloid beta-structures, for a set of known beta-aggregates, and for the parallel beta-strands of beta-helices, amyloid-like globular proteins. BETASCAN is able both to detect beta-strands with higher sensitivity and to detect the edges of beta-strands in a richly beta-like sequence. For two proteins (Abeta and Het-s), there exist multiple sets of experimental data implying contradictory structures; BETASCAN is able to detect each competing structure as a potential structure variant. The ability to correlate multiple alternate beta-structures to experiment opens the possibility of computational investigation of prion strains and structural heterogeneity of amyloid. BETASCAN is publicly accessible on the Web at http://betascan.csail.mit.edu.