Published November 28, 2012 | Version v1
Publication Open

Solution Structures, Dynamics, and Ice Growth Inhibitory Activity of Peptide Fragments Derived from an Antarctic Yeast Protein

Description

Exotic functions of antifreeze proteins (AFP) and antifreeze glycopeptides (AFGP) have recently been attracted with much interest to develop them as commercial products. AFPs and AFGPs inhibit ice crystal growth by lowering the water freezing point without changing the water melting point. Our group isolated the Antarctic yeast Glaciozyma antarctica that expresses antifreeze protein to assist it in its survival mechanism at sub-zero temperatures. The protein is unique and novel, indicated by its low sequence homology compared to those of other AFPs. We explore the structure-function relationship of G. antarctica AFP using various approaches ranging from protein structure prediction, peptide design and antifreeze activity assays, nuclear magnetic resonance (NMR) studies and molecular dynamics simulation. The predicted secondary structure of G. antarctica AFP shows several α-helices, assumed to be responsible for its antifreeze activity. We designed several peptide fragments derived from the amino acid sequences of α-helical regions of the parent AFP and they also showed substantial antifreeze activities, below that of the original AFP. The relationship between peptide structure and activity was explored by NMR spectroscopy and molecular dynamics simulation. NMR results show that the antifreeze activity of the peptides correlates with their helicity and geometrical straightforwardness. Furthermore, molecular dynamics simulation also suggests that the activity of the designed peptides can be explained in terms of the structural rigidity/flexibility, i.e., the most active peptide demonstrates higher structural stability, lower flexibility than that of the other peptides with lower activities, and of lower rigidity. This report represents the first detailed report of downsizing a yeast AFP into its peptide fragments with measurable antifreeze activities.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تم جذب الوظائف الغريبة لبروتينات التجمد (AFP) وجليكوببتيدات التجمد (AFGP) مؤخرًا باهتمام كبير لتطويرها كمنتجات تجارية. تمنع AFPs و AFGPs نمو بلورات الثلج عن طريق خفض نقطة تجميد الماء دون تغيير نقطة انصهار الماء. عزلت مجموعتنا الخميرة القطبية الجنوبية جلاسيوزيما أنتاركتيكا التي تعبر عن البروتين المضاد للتجمد لمساعدتها في آلية بقائها عند درجات حرارة دون الصفر. البروتين فريد من نوعه وجديد، ويشار إليه من خلال تناظره منخفض التسلسل مقارنة بتلك الموجودة في AFPs الأخرى. نستكشف العلاقة بين بنية ووظيفة G. Antarctica AFP باستخدام أساليب مختلفة تتراوح بين التنبؤ ببنية البروتين وتصميم الببتيد ومقايسات نشاط مضاد التجمد ودراسات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية. يُظهر الهيكل الثانوي المتوقع لـ G. Antarctica AFP العديد من الهليكات ألفا، التي يُفترض أنها مسؤولة عن نشاطها المضاد للتجمد. لقد صممنا العديد من شظايا الببتيد المستمدة من تسلسلات الأحماض الأمينية للمناطق الحلزونية ألفا من وكالة فرانس برس الأم وأظهرت أيضًا أنشطة مضادة للتجمد كبيرة، أقل من تلك الخاصة بوكالة فرانس برس الأصلية. تم استكشاف العلاقة بين بنية الببتيد والنشاط من خلال التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية. تظهر نتائج الرنين المغناطيسي النووي أن نشاط الببتيدات المضاد للتجمد يرتبط بحلزونها واستقامتها الهندسية. علاوة على ذلك، تشير محاكاة الديناميكيات الجزيئية أيضًا إلى أنه يمكن تفسير نشاط الببتيدات المصممة من حيث الصلابة/المرونة الهيكلية، أي أن الببتيد الأكثر نشاطًا يظهر استقرارًا هيكليًا أعلى ومرونة أقل من نشاط الببتيدات الأخرى ذات الأنشطة الأقل وصلابة أقل. يمثل هذا التقرير أول تقرير مفصل عن تقليص حجم AFP الخميرة إلى شظايا الببتيد مع أنشطة مضادة للتجمد قابلة للقياس.

Translated Description (French)

Les fonctions exotiques des protéines antigel (AFP) et des glycopeptides antigel (AFGP) ont récemment été attirées avec beaucoup d'intérêt pour les développer en tant que produits commerciaux. Les AFP et les AFGP inhibent la croissance des cristaux de glace en abaissant le point de congélation de l'eau sans modifier le point de fusion de l'eau. Notre groupe a isolé la levure antarctique Glaciozyma antarctica qui exprime la protéine antigel pour l'aider dans son mécanisme de survie à des températures inférieures à zéro. La protéine est unique et nouvelle, indiquée par sa faible homologie de séquence par rapport à celles des autres AFP. Nous explorons la relation structure-fonction de G. antarctica AFP en utilisant diverses approches allant de la prédiction de la structure des protéines, de la conception des peptides et des tests d'activité antigel, des études de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de la simulation de la dynamique moléculaire. La structure secondaire prédite de G. antarctica AFP montre plusieurs hélices α, supposées responsables de son activité antigel. Nous avons conçu plusieurs fragments peptidiques dérivés des séquences d'acides aminés des régions α-hélicoïdales de l'AFP parent et ils ont également montré des activités antigel substantielles, inférieures à celles de l'AFP d'origine. La relation entre la structure et l'activité des peptides a été explorée par spectroscopie RMN et simulation de la dynamique moléculaire. Les résultats de la RMN montrent que l'activité antigel des peptides est en corrélation avec leur hélicité et leur simplicité géométrique. En outre, la simulation de la dynamique moléculaire suggère également que l'activité des peptides conçus peut être expliquée en termes de rigidité/flexibilité structurelle, c'est-à-dire que le peptide le plus actif présente une stabilité structurelle plus élevée, une flexibilité plus faible que celle des autres peptides ayant des activités plus faibles et une rigidité plus faible. Ce rapport représente le premier rapport détaillé de réduction de la taille d'une levure AFP en ses fragments peptidiques avec des activités antigel mesurables.

Translated Description (Spanish)

Las funciones exóticas de las proteínas anticongelantes (AFP) y los glicopéptidos anticongelantes (AFGP) se han atraído recientemente con mucho interés para desarrollarlos como productos comerciales. Las AFP y las AFGP inhiben el crecimiento de cristales de hielo al reducir el punto de congelación del agua sin cambiar el punto de fusión del agua. Nuestro grupo aisló la levadura antártica Glaciozyma antarctica que expresa proteína anticongelante para ayudarla en su mecanismo de supervivencia a temperaturas bajo cero. La proteína es única y novedosa, lo que se indica por su baja homología de secuencia en comparación con las de otras AFP. Exploramos la relación estructura-función de la AFP de G. antarctica utilizando diversos enfoques que van desde la predicción de la estructura de proteínas, el diseño de péptidos y los ensayos de actividad anticongelante, los estudios de resonancia magnética nuclear (RMN) y la simulación de dinámica molecular. La estructura secundaria predicha de la AFP de G. antarctica muestra varias hélices α, que se supone que son responsables de su actividad anticongelante. Diseñamos varios fragmentos peptídicos derivados de las secuencias de aminoácidos de las regiones α-helicoidales de la AFP original y también mostraron actividades anticongelantes sustanciales, por debajo de la de la AFP original. La relación entre la estructura y la actividad del péptido se exploró mediante espectroscopía de RMN y simulación de dinámica molecular. Los resultados de RMN muestran que la actividad anticongelante de los péptidos se correlaciona con su helicidad y sencillez geométrica. Además, la simulación de dinámica molecular también sugiere que la actividad de los péptidos diseñados se puede explicar en términos de rigidez/flexibilidad estructural, es decir, el péptido más activo demuestra una mayor estabilidad estructural, menor flexibilidad que la de los otros péptidos con actividades más bajas y de menor rigidez. Este informe representa el primer informe detallado de la reducción de una AFP de levadura en sus fragmentos peptídicos con actividades anticongelantes medibles.

Files

journal.pone.0049788&type=printable.pdf

Files (3.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:3ce41d6fc9d260e6c7726723f4600e16
3.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
هياكل المحلول والديناميكيات والنشاط المثبط لنمو الجليد لشظايا الببتيد المشتقة من بروتين الخميرة في أنتاركتيكا
Translated title (French)
Structures de solution, dynamique et activité inhibitrice de la croissance de la glace des fragments peptidiques dérivés d'une protéine de levure de l'Antarctique
Translated title (Spanish)
Estructuras de solución, dinámica y actividad inhibidora del crecimiento del hielo de fragmentos peptídicos derivados de una proteína de levadura antártica

Identifiers

Other
https://openalex.org/W1984758923
DOI
10.1371/journal.pone.0049788

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Malaysia

References

  • https://openalex.org/W1515226261
  • https://openalex.org/W1520399130
  • https://openalex.org/W1567817058
  • https://openalex.org/W1576459178
  • https://openalex.org/W1580059237
  • https://openalex.org/W1589295940
  • https://openalex.org/W1603246472
  • https://openalex.org/W1677598999
  • https://openalex.org/W1687227704
  • https://openalex.org/W1856635628
  • https://openalex.org/W1965636138
  • https://openalex.org/W1965732458
  • https://openalex.org/W1967737979
  • https://openalex.org/W1970101589
  • https://openalex.org/W1976499671
  • https://openalex.org/W1977374220
  • https://openalex.org/W1979275471
  • https://openalex.org/W1979585354
  • https://openalex.org/W1982994228
  • https://openalex.org/W1985034464
  • https://openalex.org/W1986191025
  • https://openalex.org/W1988737630
  • https://openalex.org/W1989036380
  • https://openalex.org/W1993573768
  • https://openalex.org/W1994277766
  • https://openalex.org/W1999201992
  • https://openalex.org/W1999213903
  • https://openalex.org/W1999657696
  • https://openalex.org/W2001676859
  • https://openalex.org/W2003897459
  • https://openalex.org/W2004228538
  • https://openalex.org/W2006472948
  • https://openalex.org/W2008943604
  • https://openalex.org/W2011416631
  • https://openalex.org/W2017124286
  • https://openalex.org/W2017169936
  • https://openalex.org/W2019693120
  • https://openalex.org/W2021293246
  • https://openalex.org/W2021312899
  • https://openalex.org/W2024125927
  • https://openalex.org/W2028909116
  • https://openalex.org/W2029582401
  • https://openalex.org/W2037083949
  • https://openalex.org/W2037780555
  • https://openalex.org/W2039719192
  • https://openalex.org/W2042545194
  • https://openalex.org/W2044665462
  • https://openalex.org/W2045658759
  • https://openalex.org/W2045950270
  • https://openalex.org/W2047459869
  • https://openalex.org/W2052933818
  • https://openalex.org/W2063116767
  • https://openalex.org/W2063385774
  • https://openalex.org/W2078403442
  • https://openalex.org/W2081259911
  • https://openalex.org/W2081846590
  • https://openalex.org/W2084466582
  • https://openalex.org/W2085632387
  • https://openalex.org/W2087168305
  • https://openalex.org/W2090026561
  • https://openalex.org/W2095854371
  • https://openalex.org/W2099745313
  • https://openalex.org/W2106140689
  • https://openalex.org/W2110585060
  • https://openalex.org/W2111960068
  • https://openalex.org/W2119850183
  • https://openalex.org/W2126719129
  • https://openalex.org/W2133694749
  • https://openalex.org/W2144483796
  • https://openalex.org/W2144789691
  • https://openalex.org/W2147226356
  • https://openalex.org/W2148378265
  • https://openalex.org/W2158714788
  • https://openalex.org/W2162166182
  • https://openalex.org/W2163333444
  • https://openalex.org/W2166848166
  • https://openalex.org/W2949250147
  • https://openalex.org/W2978984835
  • https://openalex.org/W4246356731
  • https://openalex.org/W4256010680
  • https://openalex.org/W47592222