低ファウリング表面での異常なタンパク質動態

Anomalous protein kinetics on low-fouling surfaces.

• Mohammadhasan Hedayati
• Matt J Kipper
• Diego Krapf

抄録

本研究では、モデル蛋白質であるウシ血清アルブミンの低ファウリング表面への吸着・脱着の観点から、蛋白質-表面相互作用を単分子局在化顕微鏡を用いて調べた。単分子実験は、吸着と脱離の両方の速度の正確な決定を可能にします。印象的に実験データは、パワーロー分布を示す表面の滞留時間として明らかな異常な脱着速度論を示している、すなわち重尾ではなく、期待される指数関数的な分布よりも。このヘビーテール分布の直接的な結果として、平均脱離速度は実験の時間スケールに依存し、タンパク質表面濃度は平衡に達しない。さらなる分析により、観察された異常な脱離は、可溶性タンパク質マルチマー（小さなオリゴマー）のごく一部が可逆的に形成されることに起因して現れることが明らかになり、それぞれが異なる速度で表面から脱離するようになりました。全体的な速度論は、一連の素反応によって記述することができ、実験結果を予測する単純なスケーリング関係が得られる。本研究は、タンパク質溶液と長期的に接触した場合に、低タンパク質ファウリング表面が最終的にファウリングするという観測を解釈するために用いることができる、異常な脱離速度の機構論的起源を明らかにした。また、この研究は、非ファウリング表面の設計原理を定義し、その性能を予測するために使用できる新たな洞察を提供する。

In this work, protein-surface interactions were probed in terms of adsorption and desorption of a model protein, bovine serum albumin, on a low-fouling surface with single-molecule localization microscopy. Single-molecule experiments enable precise determination of both adsorption and desorption rates. Strikingly the experimental data show anomalous desorption kinetics, evident as a surface dwell time that exhibits a power-law distribution, i.e. a heavy-tailed rather than the expected exponential distribution. As a direct consequence of this heavy-tailed distribution, the average desorption rate depends upon the time scale of the experiment and the protein surface concentration does not reach equilibrium. Further analysis reveals that the observed anomalous desorption emerges due to the reversible formation of a small fraction of soluble protein multimers (small oligomers), such that each one desorbs from the surface with a different rate. The overall kinetics can be described by a series of elementary reactions, yielding simple scaling relations that predict experimental observations. This work reveals a mechanistic origin for anomalous desorption kinetics that can be employed to interpret observations where low-protein fouling surfaces eventually foul when in long-term contact with protein solutions. The work also provides new insights that can be used to define design principles for non-fouling surfaces and to predict their performance.