The Role of Hydration/Dehydration on Molecular Interactions in Aqueous Systems

Abstract

Water is essential for the survival of living organisms. Cellular environments are composed with large amounts of water. In biological systems, given that it is important for biomolecules to maintain their structure and to perform functions in aqueous cellular environments. However, while there are many studies focused on understanding the structure and function of biomolecules, the studies are not really considered the water itself, a major component in biological fluids. In terms of molecular interactions in aqueous solution, water molecules can intervene in the bio-molecular interactions in a way they form the water molecule-biomolecule interactions. Considering the importance of water molecules in a biological system, it is necessary to understand what role the water molecule plays in biological phenomena beyond its role as a solvent. In my dissertation, I considered that the presence of water molecules could be a factor controlling the molecular interactions in aqueous system in that they can participate in molecular interactions. This dissertation is based on an investigation of the molecular hydration (or dehydration) effect on water-related phenomena which are drawing attention in biology. It consists of three main topics; (1) complex coacervation, which is a kind of liquid-liquid phase separation (LLPS) and has a great importance in the formation of membrane-less organelles (2) cation- interaction, attracted attention in biology due to its strong attraction in aqueous solution (3) the cell penetration ability of guanidinium group, even though the interface of cell membrane can prevent adsorption of random molecules using its strong hydrated surface. Starting with the broad introduction involving research background and significance, in each chapter, I tried to answer how molecular hydration (or dehydration) affects the specific phenomena which I mentioned earlier. In chapter 2, I focused on the effect of dehydration on complex coacervation. I experimentally examined the fundamental properties of εPL-HA complex coacervation in the presence or absence of polyethylene glycol (PEG) which is known as a widely used molecular crowder and hydroscopic agent. I confirmed that PEG is likely to dehydrate the polyelectrolytes without directly partitioning into the inside of the complex coacervate, that more polyelectrolytes participated in complex coacervation by molecular dehydration, and that the entropy gain from dehydration induces complex coacervation. In chapter 3, I explained how the molecular hydration of moieties affects to the formation or the strength of cation- interactions in water. I used a surface forces apparatus (SFA) which can measure the interactions between the surfaces. I chose the amine, trimethylammonium, and guanidinium group for targeted cationic moieties and the phenol and indole for targeted aromatic moieties. The adhesion energies of each cation-aromatic pair were evaluated. The results represent that the less dehydration penalty (weaker the molecular hydration) of the source, the more favorable for cation- interactions in water – in terms of the formation and strength. In chapter 4, I focused on the cell penetration ability of guanidinium group, and tried to understand how the guanidinium group overcomes the strongly hydrated cell membrane surface. In chapter 4-1, I measured the adhesion between the membrane surface and the targeted surfaces – mica for negatively charged surface, poly-L-lysine (PLL) absorbed surface and polyhexamethylene guanidine (PHMG) absorbed surfaces for positively charged surfaces with different functional groups (amine and guanidinium), and bovine serum albumin (BSA) absorbed surface for protein surface. I verified that only PHMG, guanidinium-based polymer, showed strong adhesion to the MPC surface, which implies that the guanidinium group is a key functional group in the formation of bonds with the surface of the biological membrane. In chapter 4-2, I figured out the molecular mechanism of the strong adhesion of guanidinium moiety to the surface of the cell membrane. I immobilized guanidinium-containing peptide on the substrate and evaluated its adhesion to the various functionalized surface, including phosphatidylcholine, trimethylammonium, and phosphate surfaces. Interestingly, in a physiological environment, guanidinium moieties can interact with anionic phosphate group as well as key cationic functional groups of phospholipids such as cationic trimethylammonium. I suggested that the amphiphilic structure of the guanidinium group is advantageous for molecular interactions in water - in terms of dehydration penalty - and the simultaneous interaction of the guanidinium group with various functional groups contributes to strong adhesion with the membrane surface. In chapter 5, I provided an overall conclusion based on the findings. Because molecular interactions in water are tuned by considering molecular hydration at the molecular level, molecular hydration (or dehydration) can be an important factor affecting molecular interactions in aqueous systems. Investigation of molecular interactions in water, especially related to the water molecule, can contribute to the understanding of various phenomena occurring in the aqueous environment and to the various applicable fields which need to control the molecular interactions in water. For example, in the field of environmental science, understanding the molecular interactions between specific molecules and biological cell membranes in physiological solutions can help assess potentially toxic chemicals at the molecular level, as well as help develop a new platform in the field.

물은 생명체의 생존에 필수적인 요소이다. 생체는 다량의 물로 이루어져 있으며, 생체를 구성하는 생체 분자들은 수 환경에서 그들의 구조와 기능을 유지하고 있다. 생체 환경이 다량의 물로 이루어져 있음에도, 물을 생체 시스템의 용매로서 고려하는 것 이상으로 물 분자 자체의 역할에 주목하여 현상을 이해하고자 하는 노력이 부족하다. 분자상호작용의 측면에서, 생체 환경에 존재하는 물 분자는 물 분자와 생체 분자 간의 상호작용을 형성한다는 점에서 생체 분자의 상호작용에 영향을 미친다. 따라서 생물학적 현상을 분자적 수준으로 이해하기 위해서는 물을 단순히 생체 분자의 용매로서 고려하는 것이 아니라, 물 분자가 어떻게 생체 현상에 관여를 하는지 이해하려는 시도가 필요하다. 본 학위 논문은 수 환경에서 물 분자가 생체분자상호작용을 조절하는데 관여한다는 점에서, 분자의 수화 및 탈수화가 수 환경에서 생물학적으로 흥미로운 현상들에 대해 어떻게 작용하는지를 이해하고자 하였다. 전반적인 서론을 시작으로 각각의 장에서 분자의 수화 및 탈수화가 복합 코아세르베이션, 수중 양이온- 상호작용, 구아니디늄의 세포막 투과 현상에 어떠한 영향을 나타내는지 이야기하였다. 제 2장에서는 복합 코아세르베이션에서 탈수화 효과에 중점을 두었다. 세포 내부의 복잡한 환경을 모사하기 위해 사용되는 crowding agent인 PEG 분자의 존재 유무에 따른 εPL-HA 복합 코아세르베이션의 기본적인 특징을 실험적으로 평가하였다. PEG가 복합 코아세르베이션에 직접적으로 참여하지 않지만, 코아세르베이트 외부에 존재하며 고분자를 탈수화하여 더 많은 고분자가 코아세르베이션에 참여할 수 있도록 유도하는 것을 확인하였으며, 분자의 탈수화는 시스템에 엔트로피 증가를 유발하여 복합 코아세르베이션을 촉진한다는 것을 확인하였다. 제 3장에서는 분자적 수화가 수중 양이온- 상호작용의 형성과 세기에 어떠한 영향을 나타내는지를 설명하고자 하였다. 아민, 트라이메틸암모늄, 구아니디늄 작용기를 양이온 그룹으로, 페놀과 인돌 작용기를 전자를 갖는 방향족 그룹으로 선정하여 수중에서 양이온- 상호작용력을 표면힘측정기(SFA)를 이용하여 평가하였다. 결합에 참여하는 양이온과 방향족 그룹이 분자적 탈수화에 유리할수록 수중에서 양이온- 결합 형성에 유리하며 보다 강한 결합을 나타낼 수 있음을 확인하였다. 제 4 장에서는 구아니디늄 작용기의 생물학적 세포막 투과 현상에 초점을 두고, 구아니디늄 작용기가 생체 환경에서 수화 되어있는 세포막 표면과 어떻게 상호작용을 하는지에 대해 알아보았다. 4-1장에서 구아니디늄 그룹과 세포막 표면 간의 수중 상호작용력을 평가하기위해 세포막 표면을 모사한 MPC표면과 구아니디늄 기반 고분자가 흡착된 표면 사이의 분자 상호작용력을 측정하였다. MPC표면은 대조군 표면 (마이카 표면, 아민 기반 고분자 표면, BSA 단백질 흡착 표면)에 대해서는 접착력을 나타내지 않았지만, 구아니디늄 고분자 흡착 표면에 대해서만 강한 수중 접착력을 나타냄을 확인하였다. 이를 통해 구아니디늄 그룹이 생체막 표면과의 결합 형성에 중요한 작용기라는 것을 확인 하였다. 4-2장에서는 구아니디늄이 생체막 표면에 어떻게 강한 접착력을 나타내는지를 이해하고자 하였다. 구아니디늄 그룹이 생체막을 구성하는 주요한 인지질 헤드 그룹인 포스파티딜콜린, 포스파티딜콜린을 구성하는 트라이메틸암모늄과 포스페이트 그룹에 대해 생체 환경에서 어떠한 상호작용력을 나타내는지 확인하였다. 포스파티딜콜린, 트라이메틸암모늄, 포스페이트 표면에 대해 각각 구아니디늄 표면의 수중 상호작용력을 측정한 결과 구아니디늄 그룹이 수 환경에서 음전하의 포스페이트 표면 뿐만 아니라 양전하의 트라이메틸암모늄 표면에도 강한 접착력을 나타냄을 확인하였다. 구아니디늄 작용기의 양친매성 구조가 수중 분자상호작용을 위한 탈수화에 유리하며, 다양한 작용기와 동시다발적인 상호작용이 가능하여 강한 접착력을 나타냄을 제안하였다. 제 5장에서는 확인된 결과들을 토대로 본 학위 논문의 결론을 도출하였다. 분자적 수화 및 탈수화가 수중 시스템에서 분자 상호작용에 관여하는 중요한 요소가 될 수 있으며, 이를 분자적 수준에서 고려함으로서 수중 분자상호작용력을 조절할 수 있음을 확인하였다. 수중 분자상호작용에서 분자적 수화 및 탈수화 효과에 초점을 둔 본 학위 논문의 결과는 수 환경에서 일어나는 다양한 현상 이해 및 분자상호작용을 조절해야하는 응용 분야에 기여 가능할 것이라 사료된다. 환경 과학 분야를 예로 들면, 생체 환경에서 특정 분자와 생물학적 세포막 간의 분자 상호 작용력의 이해는 분자적 수준에서 잠재적으로 독성이 있는 화학 물질을 평가하는 데 도움이 될 수 있을 뿐 아니라 해당 분야의 새로운 플랫폼을 개발하는 데 기여 가능 할 것이라 생각된다.