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Investigating the underappreciated role of weak interactions in biotin's affinity for streptavidin by NMR
Sarah Elisabeth Kratzwald
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molekulare Biologie
Betreuer*in
Robert Konrat
DOI
10.25365/thesis.76526
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22604.28124.608348-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Streptavidin-Biotin Wechselwirkung ist bekannt als eine der stärksten nicht- kovalenten Wechselwirkungen in der Natur. Mittels NMR Spektroskopie untersuchten wir die Rolle von CH-π Interaktionen, die sich zwischen Biotin und den Tryptophan Seitenketten von Streptavidin ausbilden. Dazu haben wir eine monovalente Streptavidin Mutante deuteriert um die 1H Signale des Proteins zu eliminieren. Anschließend wurden die Veränderungen der chemischen Verschiebungen von Biotin im gebundenen vs. ungebundenen Zustand bestimmt. Einige C-gebunden Protonen von Biotin verschieben sich im 1H NMR um mehrere ppm ins Hochfeld, da sie durch das Aromatensystem der Tryptophane abgeschirmt werden. Die Bestimmung der Veränderungen der chemischen Verschiebungen erlaubt uns eine grobe Quantifizierung der gebildeten CH-π Interaktionen. Im Anschluss korrelierten wir die experimentell bestimmten Werte der Veränderungen der chemischen Verschiebung mit berechneten Werten mittels der Pople-Gleichung. Somit konnten wir zeigen, dass die Extraktion der 1H chemischen Verschiebungen am Liganden wertvolle Information liefert um den Bindungsmodus von Ligand zu Protein auf atomarer Ebene in nahezu physiologischen Bedingungen genauer zu verstehen. Diese Arbeit bietet wertvolle Einblicke auf die Wichtigkeit von nicht-klassischen, schwachen H-Brücken (CH-π Interaktionen) im Bezug darauf, wie Liganden eine hohe Affinität zu einem Protein erreichen können.
Abstract
(Englisch)
The streptavidin-biotin system is known to have one of the strongest non-covalent interactions known in nature. Among classical hydrogen bonds, the complex features several weak non-classical H-bonds like CH-π, CH-O, and CH-S bonds. Especially CH-π interactions are not well investigated yet. NMR spectroscopy is a great tool to study these interactions. By utilizing NMR spectroscopy, we investigated the role of CH-π interactions between biotin and tryptophan residues of streptavidin. In order to do so, we perdeuterated a monovalent streptavidin mutant (mSA2) and extracted chemical shift perturbations of biotin upon binding to streptavidin. Since the π -electrons of tryptophan’s indole moiety shield the H-atoms of biotin, we could observe upfield shifts in the 1H NMR spectrum of -0.49 ppm to -3.17 ppm. Additionally, we correlated our experimentally determined CSPs with calculated CSP values from Pople’s formalism. Overall, we demonstrated that the extraction of ligand 1H chemical shifts provides insights into biotin’s binding mode at atomistic resolution. Moreover, the determination of CSPs allows us to roughly quantify the strength of the formed CH-π interactions. This work offers valuable insights into the contribution of non-classical H-bonds such as CH-π interactions to the overall binding affinity of biotin to streptavidin, which might be further exploited in the design of drugs aiming to target proteins as high-affinity binders.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
NMR Streptavidin Biotin Affinität NOESY CH-π Wechselwirkung
Schlagwörter
(Englisch)
NMR Streptavidin Biotin Affinity NOESY CH-π Interaction
Autor*innen
Sarah Elisabeth Kratzwald 
Haupttitel (Englisch)
Investigating the underappreciated role of weak interactions in biotin's affinity for streptavidin by NMR
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchung der unterschätzten Rolle schwacher Wechselwirkungen bei der Affinität von Biotin zu Streptavidin mittels NMR
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
XI, 32, XII Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Robert Konrat
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.03 Methoden und Techniken in den Naturwissenschaften ,
42 Biologie > 42.12 Biophysik
AC Nummer
AC17287735
Utheses ID
72439
Studienkennzahl
UA | 066 | 834 | |