Electron microscopy of enzymatic pathways in polymer-stabilized nanodiscs

Summary:
Background: Electron microscopy is a powerful tool for studying enzymatic processes in various biological contexts. In particular, understanding the structural organisation and interactions of proteins within lipid bilayers and the role of lipids is crucial for deciphering complex biological processes. This research project focuses on the use of polymer-stabilised nanodiscs as a versatile model system to study such pathways, with particular emphasis on the myelin sheath in the context of neurodegenerative diseases.
Nanodiscs are polymers with the ability to interact with membranes and form flat, disc-shaped biomolecules with defined diameters. Their application in membrane protein research has revolutionised the field of membrane protein complex purification and structure determination, especially in combination with single particle cryo-EM technologies. In this project, we aim to develop nanodiscs of different polymers and solubilise liposomes made of artificial lipid mixtures that may or may not encapsulate membrane proteins. These lipid mixtures can simulate the properties and physicochemical composition of cell membranes, for example those of mitochondria or plasma membranes. By using different polymers and lipids, we will gain insights into the determinants of nanodisc formation. In addition, we will investigate nanodiscs that form after solubilisation of native membranes and characterise them using a variety of biophysical methods, including cryo-EM. Ultimately, our goal is to develop tools to structurally characterise native membrane complexes at high resolution. This result will provide a novel insight into the structure of membrane complexes with minimal biochemical intervention and thus come closer to understanding their natural-like function.
Preliminary work: Previous publications have laid the foundation for this project by presenting myelin-mimicking nanodiscs made of different amphiphilic copolymers, such as styrene/maleic acid (SMA) and styrene/maleimide-sulfobetaine (SMA-SB). These nanodiscs have been shown to effectively dissolve myelin-like liposomes and interact with myelin basic protein (MBP). Thus, they offer a promising platform to study protein-lipid interactions in a controlled environment. In addition, lipid analysis methods using thin-layer chromatography and high-resolution mass spectrometry were developed to improve the characterisation of lipid species in the nanodiscs.
Objectives: The main objectives of this research project are to further improve the understanding of enzymatic pathways in polymer-stabilised nanodiscs and to apply this knowledge to the study of the myelin sheath. Specific objectives include elucidating the structural and functional properties of lipid bilayers within nanodiscs, characterising the interactions between proteins and lipids, and exploring the potential applications of this platform to study neurodegenerative diseases.
Methods: The research uses a combination of techniques including electron microscopy, mass spectrometry and chromatography to analyse the structure, composition and behaviour of lipid bilayers in nanodiscs. The solubilisation efficiency of different copolymers in solubilising charged membranes will be investigated, and dynamic light scattering and negative-stain electron microscopy will be used to characterise nanodiscs. In addition, cryo-electron microscopy is used to study endogenous membrane-protein complexes in polymer-based nanodiscs with lipid layer.
Impact: Research on electron microscopy of enzymatic pathways in polymer-stabilised nanodiscs has significant implications, including advancing scientific knowledge in the study of lipid bilayers and protein-lipid interactions. It holds promise for understanding and potentially treating neurodegenerative diseases, provides innovative methods for lipid analysis and supports interdisciplinary collaboration. In addition, the research promotes sustainable and efficient research practices while contributing to global health and well-being by addressing critical issues in the field of neurodegenerative diseases.
Alignment with the Sustainable Development Goals : This research project has far-reaching implications for several Sustainable Development Goals (SDGs). It contributes to SDG 3 (Good Health and Wellbeing) by improving our understanding of neurodegenerative diseases and potential therapeutic targets. It is in line with SDG 9 (Industry, Innovation and Infrastructure) by developing innovative methods for studying biological processes. It also supports SDG 12 (Responsible Consumption and Production) by improving our ability to analyse and use biological materials efficiently and sustainably. The research is in line with several other SDGs, such as SDG 4 (Quality education) by promoting scientific knowledge and sharing results with the general public, and SDG 17 (Partnerships for the Goals) through potential collaborations in the fields of medicine, chemistry and materials science. In addition, the development of sustainable and efficient methods contributes to SDG 13 (Climate action) by reducing resource use in research, and has the potential to advance SDG 16 (Peace, justice and strong institutions) by contributing to the understanding of complex disease mechanisms and supporting medical research.

Zusammenfassung:
Hintergrund: Die Elektronenmikroskopie ist ein leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung enzymatischer Prozesse in verschiedenen biologischen Zusammenhängen. Insbesondere das Verständnis der strukturellen Organisation und der Interaktionen von Proteinen innerhalb von Lipiddoppelschichten sowie der Rolle der Lipide ist entscheidend für die Entschlüsselung komplexer biologischer Prozesse. Dieses Forschungsprojekt konzentriert sich auf die Verwendung von polymerstabilisierten Nanodiscs als vielseitiges Modellsystem zur Untersuchung solcher Wege, mit besonderem Schwerpunkt auf der Myelinscheide im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen.
Nanodiscs sind Polymere mit der Fähigkeit, mit Membranen zu interagieren und flache, scheibenförmige Biomoleküle mit definierten Durchmessern zu bilden. Ihre Anwendung in der Membranproteinforschung hat den Bereich der Reinigung von Membranproteinkomplexen und der Strukturbestimmung revolutioniert, insbesondere in Kombination mit Einzelpartikel-Kryo-EM-Technologien. In diesem Projekt zielen wir darauf ab, Nanodiscs aus verschiedenen Polymeren zu entwickeln und Liposomen zu solubilisieren, die aus künstlichen Lipidmischungen hergestellt wurden, die Membranproteine einkapseln können oder auch nicht. Diese Lipidmischungen können die Eigenschaften und die physikochemische Zusammensetzung von Zellmembranen simulieren, zum Beispiel die von Mitochondrien oder Plasmamembranen. Durch die Verwendung unterschiedlicher Polymere und Lipide werden wir Einblicke in die Determinanten der Bildung von Nanodiscs gewinnen. Darüber hinaus wollen wir Nanodiscs untersuchen, die sich nach der Solubilisierung nativer Membranen bilden, und diese mit einer Vielzahl biophysikalischer Methoden, einschließlich Kryo-EM, charakterisieren. Letztendlich ist es unser Ziel, Werkzeuge zu entwickeln, um native Membrankomplexe mit hoher Auflösung strukturell zu charakterisieren. Dieses Ergebnis wird einen neuartigen Einblick in die Struktur von Membrankomplexen mit minimalen biochemischen Eingriffen ermöglichen und damit dem Verständnis ihrer naturnahen Funktion näher kommen.
Vorarbeiten: Frühere Veröffentlichungen haben den Grundstein für dieses Projekt gelegt, indem sie Myelin nachahmende Nanodiscs aus verschiedenen amphiphilen Copolymeren, wie Styrol/Maleinsäure (SMA) und Styrol/Maleimid-Sulfobetain (SMA-SB), vorgestellt haben. Es hat sich gezeigt, dass diese Nanodiscs Myelin-ähnliche Liposomen effektiv auflösen und mit dem Myelin-Basisprotein (MBP) interagieren. Damit bieten sie eine vielversprechende Plattform zur Untersuchung von Protein-Lipid-Interaktionen in einer kontrollierten Umgebung. Darüber hinaus wurden Lipid-Analysemethoden mit Dünnschichtchromatographie und hochauflösender Massenspektrometrie entwickelt, um die Charakterisierung der Lipidspezies in den Nanodiscs zu verbessern.
Zielsetzungen: Die Hauptziele dieses Forschungsprojekts bestehen darin, das Verständnis der enzymatischen Wege in polymerstabilisierten Nanodiscs weiter zu verbessern und dieses Wissen auf die Untersuchung der Myelinscheide anzuwenden. Zu den spezifischen Zielen gehören die Aufklärung der strukturellen und funktionellen Eigenschaften von Lipiddoppelschichten innerhalb von Nanodiscs, die Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Lipiden und die Erforschung der potenziellen Anwendungen dieser Plattform zur Untersuchung neurodegenerativer Erkrankungen.
Methoden: Die Forschung setzt eine Kombination von Techniken ein, darunter Elektronenmikroskopie, Massenspektrometrie und Chromatographie, um die Struktur, die Zusammensetzung und das Verhalten von Lipiddoppelschichten in Nanodiscs zu analysieren. Die Solubilisierungseffizienz verschiedener Copolymere bei der Solubilisierung geladener Membranen wird untersucht, und dynamische Lichtstreuung und Negativ-Fleck-Elektronenmikroskopie werden zur Charakterisierung von Nanodiscs eingesetzt. Darüber hinaus wird die Kryo-Elektronenmikroskopie eingesetzt, um endogene Membran-Protein-Komplexe in Nanodiscs auf Polymerbasis mit Lipidschicht zu untersuchen.
Auswirkungen: Die Forschung zur Elektronenmikroskopie enzymatischer Pfade in polymerstabilisierten Nanodiscs hat bedeutende Auswirkungen, einschließlich des Fortschritts wissenschaftlicher Erkenntnisse bei der Untersuchung von Lipid-Doppelschichten und Protein-Lipid-Interaktionen. Sie ist vielversprechend für das Verständnis und die mögliche Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen, bietet innovative Methoden zur Lipidanalyse und unterstützt die interdisziplinäre Zusammenarbeit. Darüber hinaus fördert die Forschung nachhaltige und effiziente Forschungspraktiken und trägt gleichzeitig zur globalen Gesundheit und zum Wohlbefinden bei, indem sie kritische Fragen im Bereich der neurodegenerativen Erkrankungen behandelt.
Ausrichtung auf die Ziele für nachhaltige Entwicklung: Dieses Forschungsprojekt hat weitreichende Auswirkungen auf verschiedene Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs). Es trägt zu SDG 3 (Gute Gesundheit und Wohlbefinden) bei, indem es unser Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen und potenzieller therapeutischer Ziele verbessert. Es steht im Einklang mit SDG 9 (Industrie, Innovation und Infrastruktur), indem es innovative Methoden für die Untersuchung biologischer Prozesse entwickelt. Außerdem unterstützt das Projekt SDG 12 (Verantwortungsvoller Konsum und Produktion), indem es unsere Fähigkeit verbessert, biologische Materialien effizient und nachhaltig zu analysieren und zu nutzen. Die Forschung steht im Einklang mit mehreren anderen SDGs, wie z.B. SDG 4 (Qualitativ hochwertige Bildung) durch die Förderung wissenschaftlicher Erkenntnisse und die Weitergabe von Ergebnissen an die breite Öffentlichkeit sowie SDG 17 (Partnerschaften für die Ziele) durch potenzielle Kooperationen in den Bereichen Medizin, Chemie und Materialwissenschaft. Darüber hinaus trägt die Entwicklung nachhaltiger und effizienter Methoden zum SDG 13 (Klimaschutz) bei, indem sie den Ressourcenverbrauch in der Forschung reduziert, und sie birgt das Potenzial, das SDG 16 (Frieden, Gerechtigkeit und starke Institutionen) voranzubringen, indem sie zum Verständnis komplexer Krankheitsmechanismen beiträgt und die medizinische Forschung unterstützt.