Het begrijpen van de interacties tussen eiwitten en zeepmoleculen (surfactants) is al lang belangrijk voor de industrie, vooral in wasmiddelen en cosmetica. Van de anionische oppervlakteactieve stof natriumdodecylsulfaat (SDS) is bekend dat het bolvormige eiwitten ontvouwt, terwijl de niet-ionische oppervlakteactieve stof octaethyleenglycolmonododecylether (C12E8) het tegenovergestelde doet, d.w.z. het helpt eiwitten weer in vorm te vouwen.

Om waspoeders efficiënt te laten werken, het is belangrijk dat de oppervlakteactieve stoffen de structuur van eiwitten (enzymen) niet veranderen, omdat elke verandering in de enzymstructuur hun vermogen om vlekken af ​​te breken en vuil te verwijderen doodt. De meeste waspoeders bevatten mengsels van oppervlakteactieve stoffen waardoor de enzymen actief blijven. Ook, sommige biotechnologieën maken gebruik van oppervlakteactieve stoffen in combinatie met eiwitten.

Membraaneiwitten zitten meestal in het celmembraan. Om ze voor verschillende studies uit deze omgeving te halen, ze moeten worden opgelost door oppervlakteactieve stof. De oppervlakteactieve stof moet 'zacht' zijn en alleen het in het membraan ingebrachte deel van het eiwit bedekken, zodat de structuur behouden blijft. In tegenstelling tot, bij het karakteriseren van het molecuulgewicht van eiwitten in het laboratorium, een standaardtechniek is om ze te ontvouwen door de agressieve negatief geladen oppervlakteactieve stof, VIB, en volgen hoe ze migreren in een polymeergel in een elektrisch veld. Deze techniek werkt alleen als de oppervlakteactieve stof de eiwitten volledig ontvouwt en hun structuur vernietigt.

Er is nog steeds discussie over welk type interactie tussen het eiwit en de oppervlakteactieve stof het belangrijkst is. Zijn het de elektrostatische interacties tussen de ladingen van de oppervlakteactieve stof en het eiwit, of zijn het gewoon de eigenschappen van het grensvlak van de aggregaten (micellen) die de oppervlakteactieve stoffen in water vormen, welke zijn verantwoordelijk voor de ontvouwing van het eiwit?

Hoewel ontvouwen in detail is bestudeerd op eiwitniveau, een compleet beeld van de interactie tussen eiwit en surfactant ontbreekt bij deze processen. Dit gebrek aan kennis wordt aangepakt in het huidige werk met behulp van het globulaire eiwit β-lactoglobuline (bLG) als een modeleiwit.

De juiste combinatie van experimentele technieken

Er werd dieper inzicht verkregen in het ontvouwen en opnieuw vouwen van eiwitten, omdat de verschillende stappen van interacties tussen oppervlakteactieve stof en eiwitten in kaart werden gebracht als een functie van de tijd. Ten eerste, het modeleiwit, bLG, werd gemengd met de anionische oppervlakteactieve stof SDS terwijl de tijdsevolutie van de vorming van complexen tussen eiwit- en oppervlakteactieve stofmoleculen op de milliseconde-minuten tijdschaal werd gevolgd. Hiermee hebben de onderzoekers de structuur van de evoluerende complexen bepaald. Vervolgens brachten ze het tijdsverloop van het hervouwingsproces in kaart wanneer niet-geladen surfactant (C12E8) werd toegevoegd aan een monster dat complexen van SDS en eiwit bevatte.

Om te observeren hoe het eiwit zich herschikt tijdens het ontvouw- en hervouwingsproces geïnduceerd door oppervlakteactieve stoffen, complementaire spectroscopische technieken, circulair dichroïsme en tryptofaanfluorescentie, werden gebruikt in combinatie met time-resolved Small-angle X-ray scattering (SAXS).

Circulair dichroïsme en tryptofaanfluorescentie volgen veranderingen in de structuur van bLG, terwijl veranderingen in de algehele vorm van de eiwit-surfactantcomplexen werden gevolgd door synchrotron SAXS. Deze combinatie van technieken is nog niet eerder gebruikt om deze processen te bestuderen.

Complexe processen die milliseconden tot minuten duren

Het ontvouwen van het eiwit door SDS was een homogeen proces, waarbij alle eiwitmoleculen dezelfde ontvouwingsroute volgen. De SDS-complexen (micellen) vallen de eiwitmoleculen frontaal aan en ontvouwen het eiwit vervolgens geleidelijk zodat het een schil vormt rond de SDS-micel. Het hervouwen begint wanneer C12E8-micellen SDS uit het eiwit-SDS-complex "zuigen" om gemengde SDS-C12E8-micellen te vormen. Echter, het eigenlijke hervouwproces lijkt verschillende routes te volgen, omdat er meerdere structuren parallel bleken te vormen, namelijk eiwit-surfactant-complexen (waarschijnlijk zowel SDS als C12E8), gemengde micellen van SDS en C12E8, "naakte" eiwitten ontvouwden zich als lange polymere ketens, en correct gevouwen eiwitten. Door het experiment kon de onderlinge omzetting tussen deze soorten worden gevolgd, zodat kan worden bepaald welke van de processen snel zijn en welke langzaam. The folded protein could form both from the naked unfolded proteins (quickly) and from protein-surfactant complexes (more slowly). Dus, the best way in which surfactants can help a protein to fold is to basically get out of the way and let the protein find its own way back to the folded state.

The results have provided deeper insight into the structural changes occurring at the protein-surfactant level. They revealed that surfactant-mediated unfolding and refolding of proteins are complex processes of rearrangements occurring on time scales from below milliseconds to minutes and involve intimate collaboration between surfactant complexes and proteins.