Liquid-liquid phase separation and intermolecular interactions in dense protein solutions

Abstract

Highly concentrated protein solution were found to yield a large number of different phases, like amorphous aggregates, gels, crystals, or a liquid-liquid phase separation, which are all governed by the underlying protein-protein interactions in water. The interactions in dense protein solutions are highly complex, changes in the aqueous environment influence the inter- and intramolecular interactions, the protein-solvent interactions, and the solvent-solvent interactions. In this thesis, small angle X-ray scattering in combination with hydrostatic pressure perturbation was used to investigate the intermolecular interaction potential and the resulting phase behavior of dense lysozyme solutions. A reentrant liquid-liquid phase separation at elevated pressures was discovered, which could be ascribed to the solvent mediated protein-protein interactions.

Hochkonzentrierte Proteinlösungen können eine Vielzahl verschiedener Phasen bilden, wie zum Beispiel amorphe Aggregate, Gele, Kristalle oder eine flüssig/flüssig-Phasentrennung, welche alle durch die zugrundeliegenden Protein-Protein-Wechselwirkungen beeinflusst werden. Die Wechselwirkungen in dichten Proteinlösungen sind sehr komplex, Änderungen in der wässrigen Umgebung beeinflussen die inter- und intramolekularen Wechselwirkungen, die Protein-Lösungsmittel-Wechselwirkungen und die Wechselwirkungen im Lösungsmittel selbst. Röntgenkleinwinkelstreuung in Kombination mit hohen hydrostatischen Drücken wurde in dieser Arbeit genutzt, um das intermolekulare Wechselwirkungspotential und das daraus resultierende Phasenverhalten von hochkonzentrierten Lysozymlösungen zu untersuchen. Eine Wiedereintrittsverhalten der flüssig/flüssig-Phasentrennung bei erhöhten Drücken wurde entdeckt, welches sich auf die durch die wässrige Lösung vermittelte Protein-Protein-Wechselwirkung zurückführen lassen konnte.