Brownian dynamics of globular proteins under macromolecular crowding as studied by NMR - [kumulative Dissertation]

Abstract

Die Brown’sche Bewegung von Biopolymeren ist in lebenden Zellen durch die hohe Konzentration organischer Materie stark beeinflusst („macromolecular crowding“). Um die Konsequenzen für die Translation und Rotation der Proteine besser zu verstehen, einschließlich möglicher Analogien zum Verhalten dichter kolloidaler Suspensionen, werden in dieser Arbeit drei hochkonzentrierte Proteinlösungen mittels gepulster Feldgradienten-NMR, NMR-Relaxometrie, Röntgenbeugung und Viskositätsmessungen untersucht. Die translatorische Diffusivität wurde ebenso für eine Proteinmischung gemessen. Das durch signifikante Protein-Protein-Wechselwirkungen bedingte, nicht-exponentielle Verhalten der rotatorischen Orientierungsautokorrelationsfunktion der Proteine ist mittels der Kernspin-Relaxation bei geringen Feldstärken nachvollzogen worden. Anhand der Kombination aller Techniken hat sich ein eindeutiges, umfassendes physikalisches Bild der Brown’schen Bewegung in hochkonzentrierten Proteinlösungen ergeben.

In vivo molecular motion of biopolymers is known to be strongly influenced by the high concentration of organic matter inside cells, usually referred to as crowding conditions. In order to advance our understanding of the consequences of macromolecular crowding for protein translational and rotational diffusion, and to establish possible analogies to the behavior of dense colloidal suspensions, pulsed-field gradient NMR, NMR relaxometry, X-ray scattering and viscosity measurements were combined for three concentrated proteins in aqueous solution. Translational diffusion was also investigated for a protein mixture. The challenges posed by a non-exponential behavior of the protein Brownian tumbling auto-correlation function arising from significant protein–protein interactions were accessed via spin relaxation measurements at low magnetic fields. A combination of all approaches enabled a clear, comprehensive physical picture of Brownian motion in highly concentrated protein solutions.