Theoretical modeling of hydrophobin films at air-water interfaces : adsorption kinetics and mechanical response

Abstract

Hydrophobins are a family of small globular proteins expressed by filamentous fungi. Remarkable water-repellent properties enable them to cover interfaces and modulate surface wettability. Despite their potential applications across various fields, from the food industry to medical targets, the mechanisms underlying their linear adsorption, crystal formation, and film stabilization are not fully understood. This thesis investigates those critical aspects of thin films at liquid-air interfaces formed by hydrophobins in two parts. First, the adsorption kinetics of class II hydrophobins HFBI and HFBII, along with engineered variants, are analyzed through a combined approach of theoretical modelling and experiments. Experimental results reveal intriguing linear kinetics for wild-type proteins until saturation, contrasting with Langmuir kinetics for bulky variants and concentration-dependent kinetics for charge-mutated proteins. A stochastic model incorporating a subsurface layer and spin properties of proteins elucidates the underlying mechanism, highlighting a two-stage adsorption process and the role of diffusive motion and final adsorption rate in kinetics. The second part studies the mechanical response to external stress using a continuum space model incorporating thermal fluctuations and angle-dependent potentials. Simulation results reveal the crucial role of angle-dependent potentials in maintaining order and stabilizing films, contrasting with systems interacting only isotropically. Notably, the reordering process before rupture underscores the dominance of angle-dependent potentials in stabilizing structures. Moreover, the study emphasizes the challenge of achieving ordered parameters in off-lattice models due to persistent local defects. Through these investigations, this thesis contributes to a deeper understanding of hydrophobin behaviour and sheds light on potential applications in biodevice.

Hydrophobine sind eine Familie kleiner globulärer Proteine, die von filamentösen Pilzen exprimiert werden. Dank ihrer bemerkenswerten wasserabweisenden Eigenschaften können sie Grenzflächen bedecken und die Oberflächenbenetzbarkeit modulieren. Trotz ihrer potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen, von der Lebensmittelindustrie bis hin zu medizinischen Zielen, sind die Mechanismen, die ihrer linearen Adsorption, Kristallbildung und Filmstabilisierung zugrunde liegen, nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit werden diese kritischen Aspekte von dünnen Filmen an Flüssigkeits- Luft-Grenzflächen, die von Hydrophobinen gebildet werden, in zwei Teilen untersucht. Zunächst wird die Adsorptionskinetik von Hydrophobinen der Klasse II, HFBI und HFBII, sowie von konstruierten Varianten durch einen kombinierten Ansatz aus theoretischer Modellierung und Experimenten analysiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine faszinierende lineare Kinetik für Wildtyp-Proteine bis zur Sättigung, im Gegensatz zur Langmuir-Kinetik für voluminöse Varianten und zur konzentrationsabhängigen Kinetik für ladungsmutierte Proteine. Ein stochastisches Modell, das eine unter der Oberfläche liegende Schicht und die Spineigenschaften der Proteine einbezieht, klärt den zugrundeliegenden Mechanismus auf, wobei ein zweistufiger Adsorptionsprozess und die Rolle der Diffusionsbewegung und der endgültigen Adsorptionsrate in der Kinetik hervorgehoben werden. Im zweiten Teil wird die mechanische Reaktion auf äußere Belastung mit Hilfe eines Kontinuumsraummodells untersucht, das thermische Fluktuationen und winkelabhängige Potenziale einbezieht. Die Simulationsergebnisse zeigen die entscheidende Rolle der winkelabhängigen Potenziale bei der Aufrechterhaltung der Ordnung und der Stabilisierung der Filme, im Gegensatz zu Systemen, die nur isotrop wechselwirken. Insbesondere der Prozess der Neuordnung vor dem Bruch unterstreicht die Dominanz der winkelabhängigen Potenziale bei der Stabilisierung der Strukturen. Darüber hinaus unterstreicht die Studie die Herausforderung, geordnete Parameter in Modellen außerhalb des Gitters zu erreichen, die auf anhaltende lokale Defekte zurückzuführen sind. Durch diese Untersuchungen trägt diese Arbeit zu einem tieferen Verständnis des Verhaltens von Hydrophobinen bei und wirft ein Licht auf potenzielle Anwendungen in Biodevices.