Effects of X-ray radiation on structure and dynamics of egg white protein gels

Abstract

The investigation of proteins is highly relevant due to their various functions in living organisms mand their importance in nutrition. A technique that can access the collective dynamics of proteins in solution is X-ray photon correlation spectroscopy (XPCS). Using the high coherent fluxes provided by modern X-ray facilities, XPCS can resolve dynamics down to the molecular length scale. However, the proteins' sensitivity to X-ray radiation poses a serious challenge. This thesis uses XPCS at a synchrotron source to systematically investigate the effects of the X-ray dose and the X-ray dose rate on structure and dynamics of protein gels. The protein gels are hen egg whites cooked at thirteen temperatures between 50 and 85 °C. At these temperatures, the egg white proteins unfold and interconnect, leading to the formation of a gel network at temperatures ≥ 60 °C. Among these egg white gel networks, we observe differences in the susceptibility to radiation damage. The gels prepared between 63 ◦C and 70 ◦C are more sensitive to radiation effects, and the gel structure is broken up by X-ray doses of 2 kGy to 8 kGy causing an acceleration of the sample dynamics. The egg white gel networks prepared above 73 °C are strengthened by the denaturated ovalbumin, which increases the dose thresholds for structure and dynamics by one order of magnitude. Like other gels, the cooked egg white gels display ballistic motion where single relaxation events in the network cause directional shifts in the surrounding sites. From the XPCS results, we derive the velocity of this ballistic motion as a function of ten different fluences, revealing a linear dependency of this velocity on the fluence. From this we calculate fluence thresholds above which radiation-induced effects dominate the observed dynamics and find Φ∗ = (3±2)×10^−3phs^−1 nm^−2 for the radiation-sensitive gels prepared at ≤ 70 ◦C and Φ∗ = (0.9 ± 0.3) ph s^−1 nm^−2 for those prepared above 70 °C. A comparison to other sample systems suggests a connection between the samples' viscoelasticity and their sensitivity to X-ray radiation effects. This thesis demonstrates how to determine a window of opportunity in terms of dose and dose rate where intrinsic dynamical and structural properties can be measured with XPCS. These insights can be used to evaluate new measurement schemes and make use of the improved coherent flux at the next generation of X-ray facilities, which will perspectively also enable XPCS measurements on medically highly relevant protein systems.

Die Untersuchung von Proteinen ist von großer Bedeutung aufgrund ihrer vielfältigen Funktionen in lebenden Organismen und ihrer Rolle in der Ernährung. Eine Technik, die die kollektive Dynamik von Proteinen in Lösung untersucht, ist Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (engl. X-ray photon correlation spectroscopy, XPCS). Mithilfe der hohen kohärenten Röntgenflüsse an modernen Synchrotronanlagen kann XPCS die Dynamik bis hinunter zur molekularen Längenskala auflösen. Allerdings stellt die Empfindlichkeit der Proteine gegenüber Röntgenstrahlung eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit werden mit XPCS die Auswirkungen der Röntgendosis und der Röntgendosisleistung auf die Struktur und die Dynamik von Proteingelen systematisch untersucht. Bei den Proteingelen handelt es sich um Hühnereiweiß, das bei dreizehn Temperaturen zwischen 50 und 85 °C gekocht wurde. Bei diesen Temperaturen entfalten sich die Proteine im Eiweiß und verbinden sich miteinander, was zur Bildung eines Gelnetzwerks bei Temperaturen ≥ 60 °C führt. Bei diesen Eiweiß-Gelnetzwerken beobachten wir Unterschiede in der Suszeptibilität für Strahlenschäden. Die Gele, die zwischen 63 °C und 70 °C hergestellt wurden, sind empfindlicher gegenüber Strahlungseffekten, und die Gelstruktur wird durch Röntgendosen von 2 bis 8 kGy aufgebrochen, was eine Beschleunigung der Probendynamik bewirkt. Die Eiweiß-Gel Netzwerke, die über 73 °C hergestellt wurden, werden durch denaturiertes Ovalbumin verstärkt, was die Dosisgrenzwerte für Änderungen in Struktur und Dynamik um eine Größenordnung erhöht. Wie andere Gele zeigen auch die gekochten Eiweißgele eine ballistische Bewegung, bei der einzelne Relaxationsereignisse im Netzwerk Richtungsverschiebungen in den umgebenden Proteinaggregaten verursachen. Aus den XPCS-Ergebnissen leiten wir die Geschwindigkeit der ballistischen Bewegung als Funktion von zehn verschiedenen Photonenflüssen ab und stellen eine lineare Abhängigkeit dieser Geschwindigkeit von der Photonenflussdichte fest. Daraus berechnen wir Grenzwerte für die Röntgenflussdichte, oberhalb derer strahlungsinduzierte Effekte die beobachtete Dynamik dominieren, und finden Φ∗ = (3±2)×10^−3 ph s^−1 nm^−2 für die strahlungsempfindlichen Gele, die bei ≤ 70 °C hergestellt wurden und Φ∗ = (0.9±0, 3) ph s^−1 nm^−2 für die Gele, die über 70 °C hergestellt wurden. Ein Vergleich mit anderen Probensystemen legt einen Zusammenhang zwischen Viskoelastizität und Empfindlichkeit gegenüber Röntgenstrahlungseffekten nahe. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie ein Bereich in Bezug auf Dosis und Dosisleistung bestimmt werden kann, in dem die intrinsischen dynamischen und strukturellen Eigenschaften mit XPCS gemessen werden können. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um neue Messverfahren zu evaluieren und den verbesserten kohärenten Röntgenfluss an der nächsten Generation von Röntgenanlagen zu nutzen, was perspektivisch auch XPCS-Messungen an medizinisch hoch relevanten Proteinsystemen ermöglichen wird.