Engineering Principles of Hydrophobin Fusion Proteins

Abstract

The research presented in this thesis focuses on the design and use of hydrophobin fusion proteins for technological applications. Hydrophobins are small fungal proteins with interfacial function. This characteristic arises from a unique, bipolar structure. Hydrophobins also partition effectively in liquid two-phase systems. The aim of the work presented in this thesis was to connect the molecular function of the hydrophobin HFBI to other operational functionalities by methods of protein engineering.

Proteins have become a central focus of reseach in the fields of biotechnology and material development. The vast interest is due to the inherently detailed structure of proteins, forming complex functionalities that build up to great application potential. Nature has created detailed and precise function to these molecules, which can be harnessed to build new materials. The art of protein engineering may be used to join and modify elements in new combinations.

A central theme throughout this research was to evaluate aspects such as protein component stoichiometry, material geometry and charge effects, as well as holistic factors influencing application desing. Firstly, suitable model hydrophobin fusion proteins were designed and produced, and their functionality at liquid-liquid and solid-liquid interfaces was studied. In the following segment of this study, the functionality of the fusion proteins was assessed in model applicaions as a hybrid material with carbon nanoparticles. The results presented in this thesis demonstrate the design and use of protein functionalities for creation of biomolecular assemblies based on the self-assembly of hydrophobin HFBI.

The solution equilibrium of class II hydrophobins plays a crucial role in the usability of its fusion derivatives, alongside with the mechanistic details of the interfacial assembly. The results were evaluated in the frame of the design process of hydrophobin fusion proteins. This process consists of an engineering step, a formulation step and a final application step. Thereby, this thesis highlights the importance of considering protein architecture and stoichiometry throughout the process.

Tässä väitöskirjassa esitetty tutkimus keskittyy hydrofobiinin fuusioproteiinien suunnitteluun ja niiden käyttöön teknologisissa sovelluksissa. Hydrofobiinit ovat pieniä homeen tuottamia proteiineja. Hydrofobiinit ovat pinta-aktiivisia molekyylejä niiden ainutlaatuisen kaksiosaisen rakenteen ansiosta, ja jakautuvat tehokkaasti veden ja detergentin muodostamissa kaksifaasisysteemeissä. Tämän työn tavoitteena oli yhdistää HFBI-nimisen hydrofobiinin pinta-aktiivisuus muihin molekyylitoimintoihin proteiinimuokkauksen keinoin.

Proteiinit ovat bioteknologisen nykytutkimuksen ja materiaalikehityksen keskiössä. Proteiinien erikoistuneet rakenteet muodostavat toiminnallisia yksiköitä, joita voidaan käyttää teknologisina rakennuspalikoina. Luonnossa kehittyneet yksityiskohtaiset toiminnot voidaan valjastaa käyttöön kehitettäessä uuden sukupolven yhdistelmämateriaaleja. Proteiinimuokkauksen avulla biomolekulaarisia yksiköitä voidaan yhdistää ja muokata lukuisilla tavoilla. Tämän tutkimuksen keskeinen teema oli fuusioproteiinien suunnitteluun vaikuttavien tekijöiden tarkastelu. Näitä ovat esimerkiksi proteiiniyksiköiden stoikiometria, materiaalien geometria ja yhteensopivuus sekä varausten aiheuttamat vaikutukset. Lisäksi tavoitteena oli luoda kokonaiskuva suunnitteluprosessista lopullisen teknologisen sovellettavuuden näkökulmasta.

Tutkimuksen lähtökohtana ovat olleet sopivat hydrofobiinin fuusioproteiinit, joiden suunnittelu, tuotto sekä käyttäytyminen neste-neste sekä kiinteä-neste rajapinnoilla kuvataan tässä väitöskirjassa. Tutkimus jatkui kehitettyjen fuusioproteiinien toiminnallisuuden tarkastelulla valituissa mallisovelluksissa. Sovellukset keskittyvät hydrofobiinin toimintaan hiilen nanopartikkelien ja vesiliuosten rajapinnalla. Tässä työssä esitetyt tulokset ovat osoitus siitä, miten proteiinien toiminnallisuuksia sekä hydrofobiinin itsejärjestätytymistä voidaan käyttää hyödyksi biomolekulaaristen kokonaisuuksien muodostamisessa.

Tulokset arvioitiin tarkastellen hydrofobiinifuusioiden suunnitteluprosessia, johon kuuluu muokkausvaihe, valmistevaihe sekä sovellusvaihe. Tämä tutkimus osoittaa erityisesti, että proteiiniarkkitehtuuri ja molekyylikomponettien stoikiometria on huomioitava tarkasti suunnitteluprosessin joka vaiheessa.