Protein dynamics studied with neutron spectroscopy

Abstract

Proteins, as biological macromolecules, play an important role in biology. Being present in the entire range of organisms, they differ in shape, size, functionality and stability. Changes in the behavior of the protein can lead to serious disorders in the organism. Since a large fraction of proteins in vivo is either entirely surrounded by solution molecules or partly in contact with an aqueous environment, it is of great interest to study the properties of proteins in solution. For biological processes, e. g. enzymatic catalysis, the flexibility and controlled structural change of the protein are important to understand as well. To obtain further insights into the protein dynamics, e. g. based on simulations, the structure of the protein must be known. One common method to obtain high-resolution structural information of proteins is crystallography based on diffraction patterns of protein crystals. The bottleneck within this approach is often the production of high-quality crystals. Insights in the crystallization pathways might resolve some of these problems. In this thesis, the diffusive dynamics of several proteins is investigated with quasi-elastic high resolution neutron spectroscopy. The work performed can be divided into two parts. In the first part, new experimental approaches are developed which enable to access higher energy transfers for neutron backscattering, allowing for a separation of different internal diffusive processes. In addition, approaches to reduce the measurement time by limiting the number of energy transfers investigated or by using advanced analysis methods were developed. This novel framework enables to follow the diffusive kinetics of samples which changes as a function of time. The second part of this thesis investigates different protein systems by systematically changing control parameters such as temperature, protein concentration and salt concentration. The analysis of the data collected benefits from the development of the analysis frameworks. First, the diffusion of proteins in biological systems is investigated by using deuterated lysate as an external crowding agent and analyzing its influence on the diffusive behavior of γ-globulin. Second, a crowding-induced cluster formation is described for ovalbumin solutions. Third, the cluster formation of bovine serum albumin in the presence of trivalent salts is investigated with neutron backscattering and compared with the macroscopic phase behavior. Finally, the crystallization of β-lactoglobulin is investigated in the presence of ZnCl 2 . The crystallization process is followed by small-angle neutron scattering, neutron backscattering and neutron spin-echo spectroscopy. Additionally to the separation of the time-dependent internal and global self-diffusion, the fraction of proteins in the crystal can also be extracted from the backscattering data. Spin-echo measurements allow additionally to obtain information on the time-dependent collective diffusion of the proteins in solution and in the crystal. Summing up, this thesis presents several studies which investigate different protein solutions using state of the art neutron spectroscopy techniques.

Als biologische Makromoleküle sind Proteine von großer Bedeutung für physiologische Prozesse. Sie sind in Organismen allgegenwärtig und variieren in ihrer Form, Größe und Funktionalität, sowie in ihrer Stabilität. Veränderungen der Proteineigenschaften können im Organismus zu schwerwiegenden Störungen führen. Da die meisten Proteine unter physiologischen Bedingungen entweder vollständig gelöst oder teilweise in Kontakt mit wässrigen Lösungen vorliegen, ist die Untersuchung von Proteineigenschaften in Lösungen von großem Interesse. Für biologische Prozesse, wie beispielsweise enzymatische Katalysen, sind zudem das Verständnis der Proteinflexibilität, sowie kontrollierter struktureller Veränderungen von Proteinen essentiell. Um ein tiefergehendes Verständnis der Proteindynamik z. B. durch Simulationen zu erlangen, muss die Struktur des Proteins bekannt sein. Eine häufig eingesetzte Methode stellt hierbei die Analyse von Diffraktionsdaten von Proteinkristallen dar. In der Kristallographie stellt die Herstellung qualitativ hochwertiger Kristalle jedoch häufig einen Engpass der Methode dar. Durch ein besseres Verständnis der Kristallisationsprozesse kann dieses Problem zumindest teilweise behoben werden. In dieser Arbeit wird die Diffusionsdynamik unterschiedlicher Proteine mit quasi-elastischer hochauflösender Neutronenspektroskopie untersucht. Im ersten Teil der Arbeit werden neue experimentelle Ansätze entwickelt, mit denen höhere Energieüberträge der Neutronenrückstreuung zugängig gemacht werden. Hierdurch können verschiedene interne Diffusionsprozesse voneinander getrennt werden. Weiterhin erlaubt eine Beschränkung auf die Betrachtung weniger Energieüberträge, oder die Nutzung weiterentwickelter Analysemethoden eine Reduktion der Messzeit für einzelne Spektren, sodass zeitabhängige diffusive Eigenschaften der Proben beobachtet werden können. Im zweiten Teil der Arbeit werden unterschiedliche Proteinsysteme untersucht, wobei Kontrollparameter wie Temperatur, Protein oder Salzkonzentration systematisch geändert werden. Die Analyse der Daten baut teilweise auf den oben genannten entwickelten Auswertungsmethoden auf. Zunächst werden die diffusiven Eigenschaften von Proteinen in biologischen Systemen untersucht. Hierzu wird deuteriertes Lysat als externer makromolekularer Crowder eingesetzt und sein Einfluss auf die Diffusion von γ-Globulin analysiert. Die zweite Studie befasst sich mit der konzentrationsabhängigen Bildung von “protein clusters” in Ovalbumin-Lösungen. Drittens wird die durch trivalente Ionen induzierte Bildung von Aggregaten in Rinderalbumin Lösungen mit Neutronenrückstreuung untersucht. Schließlich wird die Kristallisation von β-Lactoglobulin in der Gegenwart von ZnCl 2 betrachtet. Der Kristallisationsprozess wird hierbei mit Neutronen-Kleinwinkelstreuung, Neutronen-Rückstreuung und Neutronen-Spin-Echo-Spektroskopie quantifiziert. Neben der zeitaufgelösten Trennung von interner und globaler Selbstdiffusion der Proteine kann gleichzeitig der Anteil der kristallisierten Proteine aus den Rückstreudaten bestimmt werden. Die Spin-Echo-Daten geben Aufschluss über die kollektive Diffusion der Proteine in Lösung und im Kristall. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit die Untersuchung verschiedener Proteine in Lösung unter Einsatz verschiedener modernster Neutronenspektroskopietechniken.