Membrane-mimetic systems for the structural characterization of membrane proteins by cryo-electron microscopy

Summary:
Background: Membrane proteins are central to cellular function and of great pharmacological interest. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has revolutionised pharmaceutical research by providing high-resolution protein structures that enable the discovery of new drug targets. Recent advances in cryo-EM and the development of membrane-mimetic systems, including amphiphilic copolymers, have expanded our ability to study these proteins. In this work, we explore the structural role of lipids in protein interactions, focusing on the challenges of using detergents as membrane mimetics.
Preliminary work: As part of the research, the structure of formate channel A (FocA) in n-dodecyl-β-D-maltoside (DDM) micelles was successfully resolved to 3.1 Å using cryo-EM. This allowed detailed modelling of the pentameric structure, revealing compartmentalised polarity and detergent densities. The use of detergents as membrane mimetics reveals their limitations in preserving molecular structure and function, which may have implications for drug development.
Objectives: Research objectives include evaluating the suitability of recently developed amphiphilic copolymers for solubilising artificial multicomponent vesicles that mimic native lipid compositions. These nanodiscs will then be characterised to determine their size and morphology. The ultimate goal is to create an environment very similar to the native membrane to study membrane proteins.
Methods: Various amphiphilic copolymers were tested for their ability to solubilise artificial vesicles mimicking different lipid compositions. Sulfo-DIBMA showed the best performance and was used to solubilise native membranes of the thermophilic fungus Chaetomium thermophilum. The extracted membrane proteins were purified and their structures elucidated by cryo-EM and mass spectrometry.
Implications: This work demonstrates the efficient solubilisation of artificial and natural membranes with functionalised amphiphilic copolymers, enabling the structural analysis of membrane protein complexes in a near-native state. This has the potential to significantly improve structure-based drug discovery and the elucidation of previously unappreciated membrane protein complexes, contributing to scientific and educational advances.
Alignment with Sustainable Development Goals : The research is aligned with several Sustainable Development Goals (SDGs). It supports Goal 3 (SDG 3, Good Health and Wellbeing) by improving our understanding of membrane proteins, which can have implications for drug development and thus quality healthcare. It also supports Goal 4 (SDG 4, Quality Education) by contributing to advances in education through knowledge creation and dissemination in the academic community. It also aligns with Goal 9 (SDG 9, Industry, Innovation and Infrastructure) by driving advances in structural biology and pharmaceutical research, and with Goal 12 (SDG 12, Responsible Consumption and Production) by minimising the environmental impact of research materials. Finally, it contributes to Goal 17 (SDG 17, Partnerships for the Goals) by promoting collaboration and knowledge sharing through publications and joint research efforts, thereby supporting global educational and scientific progress.

Zusammenfassung:
Hintergrund: Membranproteine sind von zentraler Bedeutung für die zelluläre Funktion und von großem pharmakologischen Interesse. Die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) hat die pharmazeutische Forschung revolutioniert, da sie hochauflösende Proteinstrukturen liefert, die die Entdeckung neuer Wirkstoffziele ermöglichen. Jüngste Fortschritte in der Kryo-EM und die Entwicklung von membranmimetischen Systemen, einschließlich amphiphiler Copolymere, haben unsere Möglichkeiten zur Untersuchung dieser Proteine erweitert. In dieser Arbeit wird die strukturelle Rolle der Flexibilität bei Proteininteraktionen untersucht, wobei die Herausforderungen bei der Verwendung von Detergenzien als Membranmimetika im Vordergrund stehen.
Vorläufige Arbeit: Im Rahmen der Forschung wurde die Struktur des Formiatkanals A (FocA) in n-Dodecyl-β-D-Maltosid (DDM)-Mizellen mit Hilfe von Kryo-EM erfolgreich auf 3,1 Å aufgelöst. Dies ermöglichte die detaillierte Modellierung des pentameren Aufbaus, wobei die kompartimentierte Polarität und die Detergenzdichten sichtbar wurden. Die Verwendung von Detergenzien als Membranmimetika zeigt deren Grenzen bei der Erhaltung der molekularen Struktur und Funktion auf, was Auswirkungen auf die Entwicklung von Medikamenten haben kann.
Zielsetzungen: Zu den Forschungszielen gehört die Bewertung der Eignung kürzlich entwickelter amphiphiler Copolymere für die Solubilisierung künstlicher Multikomponenten-Vesikel, die native Lipidzusammensetzungen nachahmen. Anschließend werden diese Nanodiscs charakterisiert, um ihre Größe und Morphologie zu bestimmen. Das ultimative Ziel ist es, eine Umgebung zu schaffen, die der nativen Membran sehr ähnlich ist, um Membranproteine zu untersuchen.
Methoden: Verschiedene amphiphile Copolymere wurden auf ihre Fähigkeit getestet, künstliche Vesikel zu lösen, die verschiedene Lipidzusammensetzungen nachahmen. Sulfo-DIBMA zeigte die beste Leistung und wurde zur Solubilisierung nativer Membranen des thermophilen Pilzes Chaetomium thermophilum verwendet. Die extrahierten Membranproteine wurden gereinigt und ihre Strukturen mit Kryo-EM und Massenspektrometrie aufgeklärt.
Auswirkungen: Diese Arbeit zeigt die effiziente Solubilisierung künstlicher und natürlicher Membranen mit funktionalisierten amphiphilen Copolymeren, die die Strukturanalyse von Membranproteinkomplexen in einem nahezu nativen Zustand ermöglicht. Dies hat das Potenzial, die strukturbasierte Medikamentenentwicklung und die Aufklärung bisher unbeachteter Membranproteinkomplexe erheblich zu verbessern und so zu wissenschaftlichen und pädagogischen Fortschritten beizutragen.
Ausrichtung auf die Ziele für nachhaltige Entwicklung: Die Forschung steht im Einklang mit mehreren Zielen für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs). Sie fördert Ziel 3 (SDG 3, Gute Gesundheit und Wohlbefinden), indem sie unser Verständnis von Membranproteinen verbessert, was Auswirkungen auf die Entwicklung von Medikamenten und damit auf eine hochwertige Gesundheitsversorgung haben kann. Darüber hinaus unterstützt es Ziel 4 (SDG 4, Qualität der Bildung), indem es durch die Schaffung von Wissen und die Verbreitung von Erkenntnissen in der akademischen Gemeinschaft zu Fortschritten in der Bildung beiträgt. Darüber hinaus steht es im Einklang mit Ziel 9 (SDG 9, Industrie, Innovation und Infrastruktur), indem es Fortschritte in der Strukturbiologie und der pharmazeutischen Forschung vorantreibt, und mit Ziel 12 (SDG 12, Verantwortungsvoller Konsum und Produktion), indem es die Umweltauswirkungen von Forschungsmaterialien minimiert. Und schließlich trägt es zu Ziel 17 (SDG 17, Partnerschaften für die Ziele) bei, indem es die Zusammenarbeit und den Wissensaustausch durch Publikationen und gemeinsame Forschungsanstrengungen fördert und damit den globalen Bildungs- und Wissenschaftsfortschritt unterstützt.