On the interaction between proteins and nanoparticles: Coiled coil peptides organize nanoparticles and vice versa

Abstract

Nanotechnology is a very young and rapidly growing field that offers novel and very promising solutions to different scientific areas such as materials science and medicine. Its combination with biotechnology is a sophisticated way to complement the unique optical, electronic, and magnetic properties of nanoparticles with the manifold and evolutionarily selected features of biomolecules, i.e. highly specific recognition interactions, structural diversity, sensitivity towards environmental conditions, or enzymatic control. Several studies have already shown the applicability of proteins for the assembly of nanoparticles that may be tuned by environmental conditions such as the pH or the presence of metal ions in some cases. Nevertheless, to the best of our knowledge, none of these approaches successfully devolved the symmetry of protein folding motif to the geometry of the nanoparticle architecture in solution. At the same time, a highly ordered nanoparticle arrangement is an essential requirement in materials science. In the first part of this thesis, the suitability of the alpha-helical coiled coil folding motif for the organization of nanoparticles was investigated. The general coiled coil design was modified such that the peptides were able to undergo electrostatically attractive interactions with anionic nanoparticles. The design of coiled coil peptides developed here induced an assembly of nanoparticles whereupon pH conditions were feasible to direct this structuring in a reversible and repeatable manner. These results also confirmed that the direct impact of the protein folding on the geometry of nanoparticle arrangement is quite challenging and hardly achievable in solution. The second part focused on the reversed effect, namely on the impact of nanoparticle on the protein structure. In recent years, the observation of nanoparticle- induced misfolding of proteins has provoked growing concerns about the medical applications of nanoparticles. The system of coiled coil peptides and nanoparticles applied here made the first steps towards systematic studies on the role of the peptide sequence in this phenomenon. It turned out that the enrichment of peptide on the surface of nanoparticle dramatically lowered the concentration limit for the self-assembly of peptide. Especially the binding stoichiometry decides on the extent of this increase in peptide density, as was shown here. Nevertheless, this system of peptide and nanoparticle still required the presence of beta-sheet inducing elements within the primary structure to observe beta-sheet and fibril formation in the presence of nanoparticle.

Nanotechnologie ist ein sehr junger und schnell wachsender Forschungsbereich, der neue und sehr viel versprechende Lösungen für verschiedene Wissenschaftsbereiche wie die Materialchemie oder Medizin verspricht. Die Verknüpfung mit dem Bereich der Biotechnologie stellt einen sehr eleganten Ansatz dar, die ohnehin einzigartigen optischen, elektronischen sowie magnetischen Eigenschaften von Nanopartikeln um die vielfältigen und evolutionär selektierten Eigenschaften der Biomoleküle wie z. B. hoch- spezifische Erkennungseigenschaften oder enzymatische Kontrolle zu erweitern. Mehrere Studien haben erfolgreich gezeigt, dass Proteine eine Aggregation von Nanopartikeln induzieren können, die gegebenenfalls in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen wie pH-Wert oder Gegenwart von Metallionen schaltbar ist. In keiner der bisherigen Veröffentlichungen konnte ein direkter Zusammenhang zwischen der Symmetrie des Proteinfaltungsmotifs und der Geometrie der peptid- induzierten Nanopartikelarchitektur gezeigt werden. Dennoch ist eine hochgeordnete Anordnung der Nanopartikel ein entscheidendes Kriterium für materialwissenschaftliche Anwendungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit des alpha-helikalen coiled coil Faltungsmotif für die Organisation von Nanopartikeln untersucht. Das Peptiddesign wurde um zusätzliche Elemente erweitert, um elektrostatisch anziehende Wechselwirkungen mit anionischen Goldnanopartikeln eingehen zu können. Das hier entwickelte coiled coil-basierte Peptiddesign konnte erfolgreich dazu genutzt werden, eine Aggregation der Nanopartikel zu induzieren. Diese Strukturierung konnte zudem mittels pH-Wert reversibel geschaltet werden. Ein direkter Einfluss des Oligomerisierungsgrads der coiled coil-Struktur auf die Strukturierung der Nanopartikel konnte allerdings nicht nachgewiesen werden. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem umgekehrten Sachverhalt, nämlich dem Einfluss des Nanopartikels auf die Proteinstruktur. Publikationen zu nanopartikel-induzierten Proteinmissfaltungen führen zu wachsenden Bedenken insbesondere hinsichtlich medizinischer Anwendungen von Nanoobjekten. Im Rahmen dieser Dissertation wurde dieses Phänomen erstmals mit Hilfe von Modellpeptiden untersucht. Insbesondere die Rolle der Primärstruktur sollte anhand eines coiled coil-basierten Modellsystems geklärt werden. Es konnte gezeigt werden, dass vorrangig die Bindungsstöchiometrie die Anreicherung des Peptids auf der Nanopartikeloberfläche bestimmt und damit dramatisch die Konzentrationsgrenze für die Amyloidbildung herabsetzt. Dennoch sind beta- Faltblatt-induzierende Faktoren in der Peptidsequenz für eine Missfaltung und Aggregation in Gegenwart von Nanopartikeln erforderlich.