Characterization of the structure and biochemical activity of lipid-protein nanodiscs prepared using the amphiphilic polymer DIBMA

Abstract

Białka błonowe odgrywają ważną rolę w komórkach, ponieważ biorą udział między innymi w produkcji energii, transdukcji sygnału i utrzymaniu homeostazy komórkowej. W komórkach ludzkich często stanowią punkt uchwytu dla farmaceutyków. Z racji tego, że środowisko błonowe ma kluczowe znaczenie dla utrzymania struktury i funkcji białek błonowych, badania in vitro często stanowią wyzwanie. Dlatego konieczne jest opracowanie nowych narzędzi do symulacji ich natywnego środowiska. Na przestrzeni ostatnich dwóch dekad wielką nadzieją w dziedzinie badań strukturalnych okazały się być nanodyski. Nanodyski są modelami błon biologicznych, samoskładającymi strukturami, w których skład wchodzi dwuwarstwa lipidowa oraz stabilizujące ją cząsteczki polimeru amfifilowego np. DIBMA. Celem niniejszej pracy była optymalizacja tworzenia nanodysków z błon komórek eukariotycznych wspomaganych polimerem DIBMA uwzględniając zmienne środowisko jonowe, w którego skład wchodzą jednowartościowe jony K+, oraz jony dwuwartościowe Ca2+ i Mg2+. Nanodyski opisano pod względem homogenności oraz rozmiaru, wykorzystując przy tym metody dynamicznego rozpraszania światła (DLS) oraz sączenie molekularne. Udowodniono, że zastosowanie polimeru DIBMA do solubilizacji błon komórkowych umożliwia uformowanie nanodysków zawierających białka błonowe oraz podbłonowe. Dowiedziono, że modyfikacja składu lipidowego polegającego na usunięciu wybranych lipidów z błony komórkowej linii komórek HEK293 przy pomocy związków z rodziny β-cyklodekstryn powoduje powstawanie nanodysków o bardziej homogennym charakterze.Membrane proteins play an important role in cell physiology, including energy production, signal transduction and cell homeostasis. Additionally, they constitute a major group of drug targets for pharmaceuticals. As the membrane environment is crucial for the maintenance of the structure and function of membrane proteins, it is often a challenge to study them in vitro, and thus, it is necessary to develop new tools to simulate their natural setting. Over the last two decades, nanodiscs have been gaining increasing popularity, which are self-assembling structures comprising a lipid bilayer stabilized by amphiphilic polymers (DIBMA).The aim of this study was to optimize the production of nanodiscs from eukaryotic cell membranes aided by DIBMA polymer, taking account of various ionic conditions including monovalent K+ ions and divalent Ca2+ and Mg2+ ions. The nanodiscs were characterized in terms of size and homogeneity, employing dynamic light scattering and size-exclusion chromatography. It was proven that using DIBMA to solubilize the membranes enables the formation of nanodiscs containing membrane proteins, including submembrane proteins. Moreover, it was demonstrated that modifying the lipid composition of HEK293 cell membranes by removing certain lipids with β-cyclodextrins allows for the formation of more homogenous nanodiscs