Exploring dynamic structures of bionanocages

Abstract

Mini-ferritins also known as Dps (DNA-binding protein from starved cells) belong to the ferritin family. They are composed of 12 identical subunits forming a hollow quasi spherical structure with 9 nm outer diameter and 5 nm inner diameter. They can store up to 500 iron atoms per shell, being a vital piece in iron homeostasis. These proteins are able to oxidize Fe2+ ions using either H2O2 or O2, store it as a ferric mineral and release it in the ferrous form to the medium, when needed for various cellular processes. Dps proteins are also known to bind DNA thus protecting it from hazardous factors. In this Thesis the oligomeric states of Dps from Marinobacter (M.) hydrocarbonoclasticus were studied under different ionic strength conditions, in order to take advantage of the system for biotechnological uses. The present work has shown that the oligomerization is a dynamic process that can be controlled by the ionic strength and that the N- terminal tail is necessary for the dodecameric assembly. The DNA binding activity of Dps was also explored using DNA origami technology, which indicated that binding activity seems to occur in a wide range of pH values, being however not clear if there is a preferential binding to single or double stranded DNA. The biotechnological potential and versatility of this system to be employed as nanoreactor or a building block for the synthesis of novel enhanced supramolecular polymers were also demonstrated. The possibility to synthesise different metal nanoparticles/materials with constrained size inside the protein nanocage, using a simple procedure was proven.

As mini-ferritinas também conhecidas como Dps (DNA-binding protein from starved cells) pertencem à família proteica das ferritinas. São compostas por 12 subunidades idênticas que formam uma estrutura quase esférica com cerca de 9 nm de diâmetro externo e 5 nm de diâmetro interno. Conseguem armazenar até 500 átomos de ferro por proteína, sendo uma peça vital no processo homeostático de ferro. Estas proteínas são capazes de oxidar Fe2+ através do uso de H2O2 ou O2, consequentemente são também capazes de mineralizar e libertar o ferro na sua forma ferrosa para o meio exterior, quando necessário para vários processos celulares. A Dps é também conhecida pela sua capacidade de ligar DNA e dessa forma protegê-lo de fatores nocivos. Neste trabalho os estados oligoméricos da Dps proveniente de Marinobacter (M.) hydrocarbonoclasticus foram estudados em diferentes condições de força iónica de modo a permitir a utilização biotecnológica do sistema. É evidenciado que o estado oligómerico da Dps pode ser controlado através da otimização da força iónica do tampão, e também a necessidade da existência da região N-terminal para a existência do decâmero. A atividade de ligação ao DNA foi explorada com recurso à tecnologia de DNA origami, indicando que a ligação ocorre numa gama extensa de valores de pH, não sendo clara uma preferência a cadeias simples ou duplas de DNA. O potencial biotecnológico e a versatilidade deste sistema para ser aplicado enquanto reator ou bloco de construção para a síntese de novas estruturas poliméricas supramolecurares foi também demonstrada. A possibilidade de sintetizar diferentes nanopartículas/materiais metálicos de tamanho limitado no interior da esfera proteica utilizando um procedimento simples foi provado.