【应用】表面张力表征球蛋白界面稳定性

KRÜSS于1796年诞生于德国汉堡，是表面科学仪器领域的领导品牌，至今已有两百多年历史。近50年来，KRÜSS致力于表界面研究，先后研发了世界上第一台商用全自动表面张力仪和第一台全自动接触角测量仪，并首创了Washburn粉末测量方法和Pendant Drop表面张力测量法。KRÜSS目前主要产品包括各类接触角测量仪、动/静态表面张力仪以及泡沫分析仪等。

研究背景

蛋白质是两亲性的并具有表面活性，能够迅速吸附在液体表面，从而降低溶液的表面张力和界面张力。然而，蛋白质的疏水结构排布在空气中，疏水性质的微小改变可导致分子溶解度和聚集趋势的变化。蛋白质疏水性的变化可以在一定程度上表征蛋白质的聚集行为，对于蛋白质稳定性的研究非常重要。

表面张力是蛋白质表面活性的一个特征参数，并且还与疏水相互作用有关。在本研究中，引入表面张力作为特征参数，通过基于荧光的技术评估蛋白质的疏水性和结构，最终建立了这三个参数之间的相关性。

实验仪器与方法 

蛋白质溶液的表面张力测定如下：2 mg/mL 蛋白质溶液在25 °C下进行制备和平衡8小时，样品的表面张力通过板法使用K100 全自动表面张力计（KRUSS K100，德国）测定，重复测试3次。

实验结果与讨论 

1.    蛋白质表面张力与疏水性相关性

选择了九种不同疏水性的蛋白质：牛血清蛋白（BSA）、过氧化氢酶、糖化酶、脂肪酶、溶菌酶、卵清蛋白（OVA）、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶和纤维蛋白原。在不同浓度下测量荧光强度，并以斜率作为疏水指数S0。图1A和1B分别显示了九种蛋白质的疏水指数和表面张力，随后进行相关分析以研究蛋白质表面张力和疏水性之间的关系。图1C使用每种蛋白质的疏水指数作为横坐标，表面张力作为纵坐标。每个点是三次实验的平均值。结果表明，蛋白质的表面张力与其疏水性密切相关，二者之间的相关系数为−0.7048（P<0.05）。蛋白质的表面张力随着疏水性的增加而降低。

图1 （A）9个蛋白质的疏水指数S0（n=3） 

（B）9个蛋白质平衡时的表面张力 

（C）蛋白质溶液的表面张力与疏水性的相关性(r=-0.7048, P<0.05)

2.    蛋白质表面张力与结构之间的关系

蛋白质的结构变化对应于蛋白质中疏水和亲水氨基酸残基空间位置的变化，这会进一步导致蛋白质的表面吸附性质发生变化并影响蛋白质的表面张力。为了研究蛋白质表面张力与结构之间的关系，通过pH诱导改变蛋白质的构象。不同pH诱导的两种蛋白质的结构和表面张力显著相关，表明表面张力可以作为蛋白质结构参数的指标。BSA和OVA的表面张力与THT荧光强度显著正相关，表明表面张力的变化与二级结构的变化有关。因此，蛋白质的表面张力也可以用作蛋白质结构的指针参数。

图2 BSA和OVA溶液在pH 4-11的表面张力

讨论 

蛋白质吸附和聚集几乎是蛋白质药物开发中所有阶段中遇到的最具挑战性的问题。在本研究中，我们使用蛋白质特征参数表面张力来研究蛋白质聚集，并为治疗性蛋白质的预配方研究提供有用的信息。

本文有删减，详细信息请参考原文：

Huashuai Xiao, Luyao Huang, Wei Zhang, Zongning Yin et al., Damage of proteins at the air/water interface: Surface tension characterizes globulin interface stability[J] International Journal of Pharmaceutics, 2020, 119445.