Enzyme encapsulation into Archeaoglobus fulgidus ferritin
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2024-08-29
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
57+7
Series
Abstract
Ferritins are ubiquitous protein nanocages with a hollow structure that can be loaded with cargo molecules. Ferritins offer significant potential in technological and medical applications due to their many favorable characteristics, including stability, modifiability, and ability to encapsulate cargo. Proteins are susceptible to denaturation, but their crystalline form could offer improved bioavailability and stability. Protein crystallization is a critical tool in structural biology and pharmaceuticals, yet it remains poorly understood. Encapsulating a protein within a ferritin cage followed by crystallization may provide additional stability to the cargo. Whether enzymatic activity is retained in encapsulated enzymes after crystallization remains unclear. Thus, the aim of the thesis is to assemble photo-responsive crystals from ferritin cages that have encapsulated an enzyme. Ideally, the enzyme would be protected from the surrounding environment by the cage or subsequently by the crystals. The encapsulation efficiency was evaluated using SDS-PAGE, UV-vis spectroscopy, and transmission electron microscopy (TEM). The crystallization was studied with dynamic light scattering (DLS), TEM, and optical microscopy. Although photo-responsive crystals were not achieved, enzyme encapsulation within the ferritin cages was done successfully. Furthermore, the assembled complexes could be disassembled upon UV light irradiation. These results suggest that photo-responsive crystals with enzymatic activity could be assembled. However, further research is needed to optimize the host-guest ratio for encapsulation and to refine the crystallization conditions for the assembly of highly organized structures. New applications in drug delivery may arise if the protein crystals can preserve the enzymatic activity under various conditions.Ferritiinit ovat kaikkialta löytyviä onttoja proteiininanohäkkejä, joihin voidaan lastata erilaisia molekyylejä. Ferritiineillä on potentiaalia teknologisissa sekä lääketieteellisissä sovelluksissa niiden monien hyödyllisten ominaisuuksien ansiosta. Näihin ominaisuuksiin lukeutuvat ferritiinien stabiilius, helppo muokattavuus sekä kyky kapseloida lastia. Proteiinit ovat alttiita denaturoitumiselle, mutta niiden kiteinen olomuoto voisi parantaa biosaatavuutta ja stabiiliutta. Proteiinien kiteytyminen on tärkeää rakenteellisessa biologiassa sekä lääketieteessä, mutta se on edelleen huonosti ymmärretty ilmiö. Proteiinin kapselointi ferritiinihäkkeihin ennen häkkien kiteytystä saattaisi parantaa kyseisen proteiinin stabiiliutta. Kiteytettyihin ferritiinihäkkeihin kapseloitujen entsyymien aktiivisuudesta ei ole vielä varmuutta. Tämän opinnäytetyön tavoitteena on muodostaa ja tutkia valoon reagoivia kiteitä, jotka muodostuvat entsyymin kapseloineista proteiinihäkeistä. Samalla häkit taikka kiteet suojaisivat entsyymiä ympäristön vaikutuksilta. Entsyymin kapseloinnin tehokkuutta arvioitiin käyttämällä SDS-PAGEa, UV-vis-spektroskopiaa sekä läpäisyelektronimikroskopiaa (TEM). Proteiinien kiteytymistä tutkittiin TEMilla, dynaamisella valonsironnalla (DLS) ja optisella mikroskopialla. Vaikka valoherkkiä kiteitä ei pystytty muodostamaan, entsyymin kapselointi ferritiinin sisään tehtiin onnistuneesti. Muodostuneet rakenteet kuitenkin voitiin hajottaa UV-valolle altistamalla, mikä viittaa mahdolliseen valoherkkään käyttäytymiseen. Tarvitaan kuitenkin lisää tutkimusta, jotta voidaan optimoida molekyylien ja häkkien suhdeluku kapseloinnissa. Kiteytymisolosuhteita täytyy hienosäätää, jotta voidaan saavuttaa hyvin järjestäytyneitä rakenteita. Uusia sovelluksia lääkeaineiden kuljetuksessa voi mahdollistua, jos proteiinikiteet onnistuvat säilyttämään entsymaattisen aktiivisuuden erilaisissa olosuhteissa.Description
Supervisor
Kostiainen, MauriThesis advisor
Zhou, YuKeywords
Archaeoglobus fulgidus ferritin, enzyme encapsulation, photo-responsive protein crystal, self-assembly
