Electrochemical analysis of proteins at charged interfaces

Nasim Izadi, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Proteiny jsou makromolekuly, které se komplexním a koordinovaným způsobem podílejí na podpoře života. Pochopení funkcí a interakcí pro-teinů může poskytnout odpovědi na mnoho biologických otázek; po-drobná analýza proteinových struktur může odhalit, jak fungují. Tato disertační práce popisuje výzkum proteinů pomocí elektrochem-ických přístupů bez nutnosti použití značení, konkrétně za použití chronopotenciometrie s konstantním proudem (CPS) pomocí visících rtuťových kapkových elektrod. Cílem této práce bylo získat hlubší znalosti o vlivu jednotlivých aminokyselinových zbytků a glykanů na elektrochemickou odezvu, tzv. píku H, který vzniká v důsledku kata-lytického vylučování vodíku (CHER). Bylo demonstrováno, že pík H je citlivým nástrojem pro studium proteinů a jejich komplexů na površích nabitých elektrodV práci jsme porovnali píky H modelových proteinů, jako je lidský sérový albumin, lysozym, beta-synuklein a histony (H2A, H3), a to z hlediska jeho korelace s celkovým nábojem protein a přítomností elektroaktivních aminokyselinových zbytků. Dále jsme zkoumali vliv přítomnosti sacharidů na pík H. Studie byly provedeny na sérovém albuminu v přítomnosti polysacharidů a glyko-proteinů. Pík H se přitom choval odlišně v případě, že proteiny tvořili komplexy s polysacharidy, než když se tyto komplexy nevytvořili, což jsme vysvětlili tím, že vytvoření komplexu protein-polysacharid zvyšoval stabilitu proteinu v elektrickém poli zvětšením vzdálenosti mezi elektroaktivními zbytky a elektrodou. Dále byly zkoumány modelové glykoproteiny s různými velikostmi a složením glykanů, a zjistili jsme že různé glykany ovlivňovali CPS signál proteinu různým způsobem. Elektrochemická měření byla provedena za použití rtuťových elektrod, srovnáním modelového glykoproteinu avidinu s neutravidinem, neglykozylovaným proteinem s podobnou velikostí a strukturou.

Abstract:

Proteins are macromolecules that work together in a complicated and coordinated way to support life. Understanding the functions and interactions of proteins can help us to answer many biological questions; observing protein structures in detail can reveal how they work. This dissertation thesis reports the investigation of proteins using label-free electrochemical approaches, namely constant current chronopotentiometry (CPS) using hanging mercury drop electrodes. The aim of this thesis is to obtain a deeper knowledge about the influence that individual amino acid residues and glycans have on the electrochemical response. This response denoted as peak H, is due to catalytic hydrogen evolution reactions (CHER) of proteins and is a sensitive tool for the study of proteins and their complexes at charged electrode surfaces. CPS responses of model proteins such as human serum albumin, lysozyme, beta-synuclein and histones (H2A, H3) were compared to look for correlations between the the overall charge of proteins, the presence of electroactive amino acid residues and catalytic CPS responses (peak H). Further, investigations were performed to examine the influence of the presence of saccharides on peak H. Studies were performed on serum albumin in the presence of polysaccharides and glycoproteins. The presence of polysaccharides influenced the CPS peak H differently when polysaccharides form complexes with BSA, as compared to un-complexed forms. This was rationalized that protein-polysaccharide complex formation increased protein stability in the electric field by increasing the distance between electroactive residues and the electrode. Moreover, model glycoproteins with different sizes and glycan compositions were investigated and we found out that different types of glycans influenced the CPS signal of a protein in different manner. Electrochemical measurements were performed using mercury electrodes, comparing the model glycoprotein avidin with neutravidin, a non-glycoprotein with a similar size and structure. Peak H thus represents an interesting tool for the analysis of protein structural changes or their interactions.

Keywords

Proteiny, glykoproteiny, Histony, Katalytická vodíková evoluční reakce, Rtuťové elektrody, Chronopotenciometrie, Avidin Glycoproteins, Histones, Catalytic hydrogen evolution reaction, Mercury electrodes, Chronopotentiometry, Avidin

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 2. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 18. 3. 2022
• Supervisor: RNDr. Veronika Ostatná, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Lucie Korecká, Ph.D., doc. RNDr. Karolina Schwarzová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Molecular and Cell Biology and Genetics / Molecular and Cell Biology and Genetics