金ナノ粒子へのタンパク質吸着における遊離チオールの役割

The Role of Free Thiol on Protein Adsorption to Gold Nanoparticles.

• Olatunde Awotunde
• Samuel Okyem
• Rishika Chikoti
• Jeremy D Driskell

抄録

タンパク質-金ナノ粒子（AuNP）バイオコンジュゲートは、ナノメディシンにおける多くの潜在的なアプリケーションを持っています。タンパク質とAuNP間の相互作用を十分に理解することは、望ましい特性を持つこれらの機能的なバイオコンジュゲートを設計するために非常に重要である。本研究では、タンパク質が提示する遊離チオールがタンパク質-AuNP複合体の安定性に与える役割を調べた。ヒト血清アルブミン（HSA）を2-イミノチオラン（Trautの試薬）で修飾してタンパク質表面にチオールを導入し、修飾剤のモル過剰を制御して1, 5, 20個の遊離チオールを提示するようにHSAの3種類を合成した。これらの HSA 種と 10 個の遊離チオールを示す IgG 抗体を用いて、AuNP のタンパク質交換研究を行った。抗体-AuNP コンジュゲートを合成し、精製し、それぞれの HSA 種を含む溶液に分散させた。5 個のチオールを含む HSA または修飾 HSA とのタンパク質交換は検出されませんでしたが、20 個の遊離チオールを示す広範にチオール化された HSA により、抗体の 85%が AuNP 表面上で置換されました。さらに、タンパク質吸着配列の影響を調べるために、それぞれのHSA種をAuNP上に予め吸着させ、抗体溶液中に分散させた。抗体は、3時間以内に単一のチオールを含むHSAをAuNPから完全に置換し、5個のチオールを含む修飾HSAを完全に置換するのに24時間を必要とし、20個のチオールを含む修飾HSAを置換することができなかった。これらの結果は、Au-S相互作用の数がタンパク質とAuNPの間の結合相互作用を支配していることを示している。この研究は、タンパク質とAuNPの結合機構についての更なる洞察を提供し、バイオコンジュゲートを最適化するために設計されたタンパク質の重要な設計原理を特定するものである。

Protein-gold nanoparticle (AuNP) bioconjugates have many potential applications in nanomedicine. A thorough understanding of the interaction between the protein and AuNP is critical to engineering these functional bioconjugates with desirable properties. In this work, we investigate the role of free thiols presented by the protein on the stability of the protein-AuNP conjugate. Human serum albumin (HSA) was modified with 2-iminothiolane (Traut's reagent) to introduce additional thiols onto the protein surface, and three variants of HSA were synthesized to present 1, 5, and 20 free thiols by controlling the molar excess of the chemical modifier. Protein exchange studies on AuNPs were conducted using these HSA species and an IgG antibody which exhibited 10 free thiols. Antibody-AuNP conjugates were synthesized, purified, and dispersed in solutions containing each of the HSA species. No protein exchange was detected with the HSA or modified HSA containing 5 thiols; however, 85% of the antibody was displaced on the AuNP surface by the extensively thiolated HSA presenting 20 free thiols. Furthermore, the impact of the protein adsorption sequence was probed in which each of the HSA species were pre-adsorbed onto the AuNP and dispersed in a solution of antibody. The antibody fully displaced the HSA with a single thiol from the AuNP within 3 h, required 24 h to completely displace the modified HSA containing 5 thiols, and was unable to displace the modified HSA containing 20 thiols. These results indicate that the number of Au-S interactions governs the binding interaction between the protein and AuNP. This work provides further insight into the protein-AuNP binding mechanism and identifies important design principles for engineered proteins to optimize bioconjugates.