Transcript
Page 1: SupramolecularHydrogelsforProteinCrystallizaon · 2. Protein#crystallizaon # SupramolecularHydrogelsforProteinCrystallizaon! Mª!Teresa Conejero-Muriela,!EstelaPineda Molinaa, Mónica!Moral!Muñozb,!Juan!de!Dios

   

   

2.  Protein  crystalliza1on  

Supramolecular  Hydrogels  for  Protein  Crystalliza1on  Mª  Teresa  Conejero-­‐Muriela,  Estela  Pineda-­‐Molinaa,  Mónica  Moral  Muñoz  b,  Juan  de  Dios  García-­‐López  Duránb,  Luis  

Álvarez  de  Cienfuegosc,  Juan  J.  Díaz-­‐Mochónd,  e  and  José  A.  Gaviraa.    

a  Laboratorio  de  Estudios  Cristalográficos  InsLtuto  Andaluz  Ciencias  de  la  Tierra,  Avda  de  las  Palmeras,  4,  Armilla,  18100,  Granada,  Spain.    b  Dpto.  de  Física  Aplicada,    c  Dpto.  de  Química  Orgánica,  Facultad  de  Ciencias,  Universidad  de  Granada,  18071  Granada,  Spain.    d  Dpto.  de  Química  FarmacéuLca  y  Orgánica,  Facultad  de  Farmacia,  Universidad  de  Granada,  18071  Granada,  Spain.  e  GENYO.  Centre  for  Genomics  and  Oncological  Research:  Pfizer,  University  of  Granada,  Andalusian  Regional  Government,  PTS  Granada,  Avenida  de  la  Ilustración  114,  18016  Granada,  Spain  

Email:  [email protected]    

3.  Results  

Acknowledgements    This  work  was  supported  by  project  BIO2010-­‐16800  and  the  “Factoría  de  Cristalización”,  CONSOLIDER  INGENIO-­‐2010  from  the  Ministerio  de  Ciencia  e  Innovación,  Spain.  MTCM thanks CSIC for her JAE-Pre research contract. EPM is supported by a `Ramón y Cajal´ research contract (MINECO).  JJD  M  benefits  from  Ministerio  de  Economia  y  CompeLLvidad  "Ramon  y  

Cajal  Fellowoship"  .  !

References  [1].   a)   Terech,   P.;  Weiss,   R.   G.  Chem.   Rev.   1997,   97,   3133.   b)   George,  M.;  Weiss,  R.  G.  Acc.  Chem.  Rev.  2006,  39,  489.  [2].  a)  Piepenbrock,  M.-­‐O.  M.;  Lloyd,  G.  O.;  Clarke,  N.,  Steed,  J.  W.  Chem.  Rev.  2010,  110,  1960.  b)  Maeda,  H.  Chem.  Eur.  J.  2008,  36,  11274.  [3].  Reches,  M.;  Gazit,  E.  Science  2003,  300,  625.  [4].  a)  Sangeetha,  N.  M.;  Maitra,  U.  Chem.  Soc.  Rev.  2005,  34,  821.  b)  Hirst,  A.  R.;   Escuder,  B.;  Miravet,   J.   F.;   Smith,  D.  K.  Angew.  Chem.   Int.   Ed.  2008,  47,  8002.  c)  Escuder,  B.;  Rodríguez-­‐Llansola,  F.;  Miravet,  J.  F.  New  J.  Chem.  2010,  34,   1044.   d)   Steed,   J.   W.   Chem.   Soc.   Rev.   2010,   39,   3686.   e)   Steed,   J.   W.  Chem.  Commun.,  2011,  47,  1379.  [5].  Antara  Dasgupta,  Julfikar  Hassan  Mondal  and  DebapraLm  Das,  RSC  Adv.,  2013,  3,  9117–9149.  [6].   a)   Lorber,   B.;   Sauter,   C.;   Theobald-­‐Dietrich,   A.;   Moreno,   A.;  Schellenberger,  P.;  Robert,  M.-­‐C.;  Capelle,  B.;  Sanglier,  S.;  PoLer,  N.;  Giege,  R.  Prog  Biophys  Mol  Biol  2009,  101,  (1),  13-­‐25.  b)  Gavira,  J.  A.;  Van  Driessche,  A.  E.  S.;  Garcia-­‐Ruiz,  J.-­‐M.,  Crystal  Growth  &  Design  2013,  13,  (6),  2522-­‐2529.    [7].  Otálora  F,  Gavira  JA,  Ng  JD,  García-­‐Ruiz  JM.  Prog  Biophys  Mol  Biol.  2009  Nov;101(1-­‐3):26-­‐37.        

1.  Introduc1on  Gels  are  systems  with  a  high  proporLon  of  liquid  but  behave  as  solids  with  viscoelasLc  properLes.  Recently,  novel  gels  based  on  low  molecular  weight  gelators  (LMWGs)  have  been  developed  and  studied   [1].   LMWGs  are   capable  of   self-­‐assemble  by   secondary   forces   to  give  3D   supramolecular  networks  of  nanofibers   that   immobilize   the   liquid.   Supramolecular   gels  have   inherent  properLes  derived  from  the   low  molecular  weight  and  weak   interacLons  of  the  monomers  such  as  reversibility  [2]  and  well  defined  2D  structures  [3].  Thus,   it  has  allowed  the  development  of  gels  with  very  specific  and  parLcular  properLes  that  have  found  applicaLons   in  a  great  variety  of  fields   from  medicine  to  electronics   [4].  PolypepLdes  Supramolecular  Gel   (PSG)  belongs  to  this  group  of  LMWGs  adding  to  their  general  characterisLcs  a  high  level  of  biocompaLbility  and  tunable  interacLon  properLes  [5].    In  protein  crystallizaLon  the  use  of  gels  of  different  nature  has  also  been  widely  studied  and   its  benefits  have  been  highlighted  at  different   levels,   i.e.   the  growth:   improving  the  crystal  quality  or  controlling  the  morphology;  the  nucleaLon:  inducing  or  inhibiLng  the  nucleaLon  as  a  funcLon  of  the  gel  nature;  the  crystal  protecLon:  prevenLng  osmoLc  shock,  avoiding  the  use  of  cryo-­‐protectants,  etc  [6  and  references  herein].  We  have  synthesized  and  characterized  a  family  of  LMW-­‐Hydrogelators  (HG2.6)  based  on  self-­‐assembling  of  small  polypepLdes  formed  in  pure  water.  Due  to  its  parLcular  properLes  we  have  explored  the  use  of  PSG  on   the  crystallizaLon  of   two  model  proteins,   lysozyme   (HEWL)  and  glucose   isomerase  and  two  target  proteins,  Tcm16  and  TodT.  DiffracLon  data  of   these   four  proteins  have  been  compared  with  those  obtained  in  agarose  gel.    

   

1.  Hydrogel  characteriza1on   2.  Protein  crystalliza1on  Lysozyme     Glucose  isomerase   Tcm16    

1.  Gel  characteriza1on  

Rheometer     Transmission  Electron  Microscopy  

 Circular  Dichroism  

Crystalliza1on  method  

Protein  concentra1on    

(mg/ml)  

Precipitant    

Lysozyme     Two  layer  (2L)  counter  difussion  

140-­‐220   3.5-­‐10%  NaCl  

Glucose  isomerase   Batch     100-­‐140   30%PEG  4K,  0.1M  Tris  pH  8.5,  0.2M  MgCl2  

Tcm16     Counter  difussion-­‐GCB  

20-­‐40   10mM  Tris  pH  8.5,  1M  ammonium  sulphate  

TodT   Batch   10-­‐14   10%  Isopropanol,  20%PEG  4K,  0.1M  

Hepes  pH7.5  

Ini1al  protein  concentra1on  

(mg/ml)  

Protein  concentra1on  in  gel  (mg/ml)  

Precipitant    

Lysozyme     200   140   6%  NaCl  

Glucose  isomerase  

110   100     30%PEG  4K,  0.1M  Tris  pH  8.5,  0.2M  MgCl2  

Tcm16     28   20   10mM  Tris  pH  8.5,  1M  ammonium  sulphate  

TodT   12   9,5   10%  Isopropanol,  20%PEG  4K,  0.1M  Hepes  

pH7.5  

2.  Experimental  methods  

 RAMC  2013    

Sunday,  08  September  2013  -­‐  Wednesday,  11  September  2013  

Table  1.  IniLal  crystallizaLon  experiments  were  performed  to  find  the  best  crystallizaLon  condiLons  for  each  protein.  

Table  2.  CrystallizaLon  condiLons  used  in  agarose  gel  and  HG2.6.    

Rheology    

0.1 1 10 1000.01

0.1

1

10

100

1000

10000

G' /

G''

(Pa)

σ (Pa)

G' (2,6) - 2 mM G'' (2,6) - 2 mM G' (2,6) - 3 mM G'' (2,6) - 3 mM

Fig.  2.  Oscillatory   rheology  of  HG.  The  values  of   the   storage   modulus   (G´)   and   the   loss  modulus   (G´´)   exhibit   a   weak   dependence  from  0.1  to  1.0%  of  strain  (with  G´dominaLng  G´´)  indicaLng  that  HG2.6  is  a  hydrogel.    

4.  Conclusions  

Fig.   3.   A)   Transmission   electron   microscopy   image   of   HG2.6.   B)   Transmission  electron  microscopy  image  of  negaPvely  stained  HG2.6.  HG2.6  self-­‐assembles  into  nanofibers  from  20  nm  diameters  to  the  range  of  microns.    

Electron  microscopy  A   B  

Circular  dichroism  

Fig.   4.   Circular   dichroism   (CD)   spectrum   of  HG2.6.   It   exhibits   a   posiLve   band   near   200  nm   (ππ*   transiLon),   a   negaLve   band   near  215  nm  (nπ*  transiLon),  and  a  negaLve  band  near   280   nm   (ππ*   of   benzyl   groups).   These  peaks  are  consistent  with  the  supramolecular  organizaLon   of   pepLdes   in   a   β-­‐sheet  conformaLon.    

Lysozyme     Glucose  isomerase   TodT    

3.  Crystal  quality  evalua1on  

3.  X-­‐Ray  data  collec1on  

A

Protein  +  gel    

Precipitant  B

Data   were   collected   under   the   same   condiLons,   i.e:   crystal   to  detector   distance;   exposure   Lme;   oscillaLon   degree   and   number   of  images.  

Fig.  5.  Lysozyme  crystals  grown  in  A)  D5  agarose  gel  and  B)  in  HG2.6.  In  both  cases,  crystals  had  similar  morphology.  Glucose  isomerase  crystals  grown  in  C)  D5  agarose  gel  and  D)  in  HG2.6.   In  both  cases,   crystals  had  similar  morphology.  Tcm16  crystals  grown   in  E)  D5  agarose  gel  and   in  F)  HG2.6.   In  both  cases,   crystals  had  similar  morphology.  G)  TodT  crystallizaPon  experiment  in  D5  agarose  gel.  H)  TodT  crystal  grown  in  HG2.6.  In  this  case,  crystal  only  grew  in  HG2.6.  From  I  to  L  it  is  shown  a  magnificaLon  of  each  protein  crystal..    

A B C D E F

I   J   K  

-­‐  As  expected,  HG2.6  shows  the  typical  β-­‐sheet  structure  and  behaves  as  a  hydrogel  compose  by  fibers  of  approximately  20  nm  in  diameter  and  several  microns  length.  -­‐  HG2.6  is  a  suitable  gel  to  grow  protein  crystals  as  demonstrate  with  two  model  proteins  (lysozyme  and  glucose  isomerase)  and  two  target  proteins  (Tcm16  and  TodT).  -­‐  Taking  into  account  the  crystal  quality  indicators,  it  seems  that  lysozyme  crystals  grown  in  HG2.6  gel  present  higher  quality  than  crystals  grown  in  agarose  gel.  In  the  case  of  glucose  isomerase,  we  cannot  compare  the  data  since  they  belong  to  two  different  space  groups.  More  crystals  need  to  be  analysed  before  we  can  conclude  that  HG2.6  grown  crystals  are  of  be|er  quality  than  those  grown  in  agarose.    

-­‐  DiffracLon  data  from  Tcm16  in  agarose  gel  and  HG2.6  were  not  of  sufficient  quality  and  crystal  improvement  is  under  going.  However,  TodT  crystal  was  only  obtained  in  HG2.6  and  its  diffracLon  data  will  be  used  for  Molecular  Replacement.  

-­‐  It  is  also  remarkable  that  HG2.6  also  acts  as  cryo-­‐protectant.  Crystals  from  HG2.6  present  be|er  quality  than  crystals  from  agarose  gel.    -­‐  We  propose  HG2.6  as  a  validate  candidate  for  protein  crystallizaLon.  

TodT    

Lysozyme,   glucose   isomerase   and   Tcm16   crystals   were   diffracted   at  100K   with   and   without   glycerol   as   cryo-­‐protectant.   TodT   crystal   was  diffracted  with  PEG  400  as  cryo-­‐protectant.  

G H

L  

Fig.   6.   Lysozyme   diffrac5on   results.   A)   Lysozyme   diffracLon   pa|ern.   B)   Plot   of   I/σ  against  resoluLon  to  compare  lysozyme  crystal  quality  grown  in  agarose  gel  and  HG2.6  and  collected  with  and  without  cryo-­‐protectant  at  100K.  The  table  resumes  the  X-­‐Ray  data-­‐collecLon  staLsLcs.  Values  in  parentheses  are  for  the  highest  resoluLon  bin.    

R-­‐merge  =  Σhkl  Σi     │Ii   (hkl)  –   (I(hkl))│/  ΣhklΣi   Ii   (hkl)   ,  where   I   i(hkl)   is   the   ith  observaLon  of   reflecLon  hkl   and   (I(hkl))   is   the  weighted  average   intensity   for  all  observaLons  i  of  reflecLon  hkl.  

SET-­‐UP  

-­‐  Gel  preparaLon:  agarose  and  HG2.6  -­‐  Protein  soaking  (1  week/20oC)  -­‐  Remove  protein  excess  and  

concentraLon  measurement    -­‐  Precipitant  diffusion  (20oC)  

2.2.  Counter  difussion  in  gel:  two  layers  (2L)  configura1on  2.1.  Preliminary  crystalliza1on  assays  

Fig.   7.   Glucose   Isomerase   diffrac5on   results.   A)  Glucose   Isomerase   diffracLon  pa|ern.  B)  Plot   of   I/σ   against   resoluLon   to   compare   glucose   isomerase   crystal   quality   grown   in  agarosed      and  in  HG2.6.  In  this  case  the  purpose  is  not  the  comparison  since  they  belong  to  different   space   groups.   The   table   resumes   X-­‐Ray   data-­‐collecLon   staLsLcs.   Values   in  parentheses  are  for  the  highest  resoluLon  bin.    

Fig.  8.  TodT  diffrac5on  results.  A)  TodT  diffracLon  pa|ern.  B)  Plot  of  I/σ   against   resoluLon   of   TodT   crystal   quality   grown   in   HG2.6.   The  table  resumes  X-­‐Ray  data-­‐collecLon  staLsLcs.  Values   in  parentheses  are  for  the  highest  resoluLon  bin.    

A A A

R-­‐merge  =  Σhkl  Σi    │Ii  (hkl)  –  (I(hkl))│/  ΣhklΣi  Ii  (hkl)  ,  where  I   i(hkl)   is  the   ith  observaLon  of  reflecLon  hkl  and  (I(hkl))   is  the  weighted  average  intensity  for  all  observaLons  i  of  reflecLon  hkl.  

R-­‐merge  =  Σhkl  Σi    │Ii  (hkl)  –  (I(hkl))│/  ΣhklΣi  Ii  (hkl)  ,  where  I  i(hkl)  is  the  ith  observaLon  of  reflecLon   hkl   and   (I(hkl))   is   the   weighted   average   intensity   for   all   observaLons   i   of  reflecLon  hkl.  

Fig.   1.   A)  RepresentaLve   picture   of  agarose  gel  and  HG2.6  in  eppendorf.  B)   2L   (two   layers)   schemaLc  configuraLon   of   counterdiffusion  set-­‐up  [7].      

    Lzm_Agarose_NoCryo   Lzm_Agarose_Cryo   Lzm_HG2.6_NoCryo   Lzm_HG2.6_Cryo  Beamline   ID23-­‐1,  ESRF   ID23-­‐1,  ESRF   ID23-­‐1,  ESRF   ID23-­‐1,  ESRF  Space  group   P43212   P43212   P43212   P43212  Unit  cell  parameters  (Å)   a=79,b=79,  c=37.29   a=78.69,b=78.69,  c=36.97   a=78.74,b=78.74,  c=37.33   a=78.59,  b=78.59,  c=36.99  Wavelength  (Å)   0.972   0.972   0.972   0.972  ResoluLon  (Å)   39.50–1.20  (1.22-­‐1.20)   39.35-­‐1.20  (1.22-­‐1.20)   39.37-­‐1.20  (1.22-­‐1.20)   39.29–1.20  (1.22-­‐1.20)  Total  number  of  reflecLons   457266  (22508)   462926  (22039)   469290  (22705)   453679  (22146)  Total  unique  reflecLons   37449  (1794)   36915  (1788)   37314  (1810)   36835  (1784)  R-­‐merge  *  (%)     3.6  (39.8)   6.0  (51.1)   3.9  (30.8)   3.7  (23.4)  I/σ(I)   31.1  (6.2)   17.3  (3.7)   33.3  (7.8)   34.0  (9.3)  Completeness  (%)   99.9  (99.5)   100.0  (100.0)   100.0  (100.0)   100.0  (100.0)  Redundancy   12.2  (12.5)   12.5  (12.3)   12.6  (12.5)   12.3  (12.4)  B-­‐factor  (Å2)   11.3   10.6   11.3   11.5  Mosaicity     0.10   0.18   0.06   0.11  

    Glucose  Isomerase_Agarose_Cryo   Glucose  isomerase_HG2.6_Cryo  Beamline   BM14U,  ESRF   BM14U,  ESRF  Space  group   P222   I222  Unit  cell  parameters  (Å)   a=78.19,  b=  97.38,  c=  128.9   a=92.33,  b=98.21,  c=101.7  Wavelength  (Å)   0.954   0.954  ResoluLon  range  (Å)   44.30-­‐2.56  (2.67-­‐2.56)   40.57–2.56  (2.67-­‐2.56)  Total  number  of  reflecLons   119120  (14433)   56389  (6839)  Total  unique  reflecLons   31389  (3826)   14012  (1719)  R-­‐merge  *  (%)   23.8  (68.7)   11.5  (31.1)  I/σ(I)   5.2  (1.7)   11.3  (4.2)  Completeness  (%)   97.4  (98.7)   92.6  (94.7)  Redundancy   3.8  (3.8)   4.0  (4.0)  B-­‐factor  (Å2)   7.7   4.0  Mosaicity     0.13   0.11  

    TodT_HG2.6_Cryo  Beamline   ID23-­‐1,  ESRF  Space  group   P41212  Unit  cell  parameters  (Å)   a=76.66,  b=  76.66,  c=  36.65  Wavelength  (Å)   0.972  ResoluLon  range  (Å)   38.33-­‐1.49  (1.52-­‐1.49)  Total  number  of  reflecLons   146544  (7111)  Total  unique  reflecLons   18420  (898)  R-­‐merge  *  (%)   4.9  (37.6)  I/σ(I)   22.9  (4.4)  Completeness  (%)   100.0  (100.0)  Redundancy   8.0  (7.9)  B-­‐factor  (Å2)   9.7  Mosaicity     0.19  

B  

5 4.5 4 3.5 3 2.5

5

10

15

20

2

Resolution

I/σ

I/Sigma Glucose Isomerase HG2.6 CryoI/Sigma Glucose Isomerase Agarose Cryo

B  

5 4 3 2 1

20

40

60

80

2

Resolution

I/σ

I/Sigma Lys HG2.6 CryoI/Sigma Lys HG2.6 NoCryoI/Sigma Lys Agarose CryoI/Sigma Lys Agarose No Cryo

B  

5 4 3 2

20

40

60

80

2

Resolution

I/σ

I/Sigma TodT HG2.6 Cryo

Top Related