イオン液体混合物中のタンパク質パッケージング： コリニウムベースの混合イオン液体中のβ-ラクトグロブリンの安定性向上に向けた環境に優しいアプローチ

Protein packaging in ionic liquid mixtures: an ecofriendly approach towards the improved stability of β-lactoglobulin in cholinium-based mixed ionic liquids.

• Anamika Sindhu
• Sumit Kumar
• Dibyendu Mondal
• Indra Bahadur
• Pannuru Venkatesu

抄録

イオン液体(IL)とタンパク質の相互作用に関する研究はよく知られているが、イオン液体(IL)の中には生体分子の破壊につながる高い毒性を持つものもある。しかし、ILは構成イオンを微調整したり、別のILの変性作用に対してタンパク質を安定化する混合物をアマルガム化したりすることで、適切に設計することができる。これに対処するために、本研究では、タンパク質β-ラクトグロブリン（β-LG）に構造安定性を付与するためのIL混合物の役割を調査しました。これまでに、ヨウ化コリン([Chn][I])がβ-LGのネイティブ構造に悪影響を及ぼすことが実証されています。Chn][I]の劇作用を打ち消すために、4種のIL混合物（酢酸コリン[Chn][Ac]＋[Chn][I]（MCACI）；ビタル酸コリン[Chn][Bit]＋[Chn][I]（MCBCI）；塩化コリン[Chn][Cl]＋[Chn][I]（MCCCI）。及びコリン二水素リン酸[Chn][Dhp] + [Chn][I] (MCDCI)を異なる比率で調製し、β-LGの構造安定性に及ぼす影響を調べた。紫外-可視及び蛍光分光の結果、β-LGは、これらのILを含む水溶液を添加することで、[Chn][I]のみの場合と比較して、構造変化を示すことが明らかになった。近紫外-CD分光法では、これら4種類のILの混合物がβ-LGの3次構造を維持していることが観測された。動的光散乱(DLS)の結果は、IL混合物を含む水溶液がβ-LGのdH値を減少させ、最終的にはβ-LGのコンパクトな構造を維持していることを示した。これらの結果は、4種類の生体適合性のあるIL混合物が、[Chn][I]の存在下では避けられないβ-LGの凝集を減少させることを確認した。さらに、熱蛍光分析から、β-LGの熱安定性は4種類のIL混合物によって向上し、β-LGに対する[Chn][I]の悪影響を打ち消すことが観察された。本研究では、β-LGの構造転移におけるコリンベースのIL混合物の役割を初めて明らかにした。本研究では、コリンベースのIL混合物がタンパク質の安定性を向上させることに成功し、他の成分の利点を増幅させることができました。これらの結果は、タンパク質のフォールディング/アンフォールディングに対するIL混合物の役割を理解するための意味合いを見いだし、環境に優しいタンパク質保護添加剤の開発に新たな方向性を開くものと考えられる。

Ionic liquid (IL)-protein interaction studies are well documented; nonetheless, some families of ILs possess high toxicity which leads to the perturbation of biomolecules. However, ILs can be suitably designed by tweaking the constituent ions and also by amalgamating the mixture that stabilises the protein against the denaturing effect of another IL. To address this, the present study has explored the role of IL mixtures in imparting structural stability to protein β-lactoglobulin (β-LG). Previously, it was demonstrated that choline iodide ([Chn][I]) had an adverse effect on the native structure of β-LG. In order to counteract the deleterious action of [Chn][I], four IL mixtures (choline acetate [Chn][Ac] + [Chn][I] (MCACI); choline bitartrate [Chn][Bit] + [Chn][I] (MCBCI); choline chloride [Chn][Cl] + [Chn][I] (MCCCI); and choline dihydrogenphosphate [Chn][Dhp] + [Chn][I] (MCDCI)) were prepared in different ratios and their effects on the structural stability of β-LG were investigated. The UV-visible and fluorescence spectroscopy results revealed that β-LG achieved conformational changes with the addition of aqueous solutions containing mixtures of these ILs as compared to [Chn][I] alone. In near UV-CD spectroscopy, we observed that these four mixtures of ILs preserved the structure of β-LG by maintaining the tertiary structure. The dynamic light scattering (DLS) results demonstrated that the aqueous solutions containing IL mixtures decreased the dH values of β-LG, eventually keeping the compact structure of β-LG. These results confirm that the four biocompatible IL mixtures reduce the unavoidable aggregates of β-LG in the presence of [Chn][I]. Additionally, from the thermal fluorescence analysis, it was observed that the thermal stability of β-LG was enhanced by the four IL mixtures, thus counteracting the deleterious effect of [Chn][I] on β-LG. To the best of our knowledge, this work for the first time has demonstrated the role of choline-based IL mixtures in the structural transition of β-LG. The IL mixtures successfully enhanced the stability of the protein by reducing the perturbation caused by one of the components of the IL mixtures, thus amplifying the advantages of the other components. Overall, these results might find implications for understanding the role of IL mixtures towards protein folding/unfolding and pave a new direction for the development of eco-friendly protein-protective additives.