Computational investigation on the dynamics and aggregation of five mammalian serum albumins

Serum albumins from different mammalian species share a highly conserved structure, yet human serum albumin (HSA) displays a markedly higher tendency to aggregate. This Thesis investigated the molecular origins of this behavior through extensive atomistic molecular dynamics simulations performed on both single-protein and four-protein systems of Human, Bovine, Rabbit, Porcine and Caprine serum albumins. A comprehensive set of structural, dynamical and electrostatic analyses was applied, including pair-distance evaluations, electrostatic surface profiling (PEP-Patch), dipole autocorrelation, ion-protein spatial distribution, Distance-Fluctuation (DF) analysis and Principal Component Analysis (PCA). Most physicochemical properties—electrostatic potential, dipole orientation, shielding by ions and buffer components—were found to be remarkably conserved across species, revealing no global features capable of explaining enhanced aggregation in HSA. PCA shows a tendency of HSA to sample more closed conformations, both in the aggregated and monomeric states. Although this characteristic closure in aggregated state is shared with RSA, HSA achieves higher levels of closure than RSA. In addition, DF analysis provided the clearest indication of species-specific signal. Specifically, DF highlighted a distinct cluster of residues in HSA domain I exhibiting significantly higher flexibility than in non-human serum albumins, suggesting a localized dynamical origin of aggregation propensity. Additional analyses of cysteine solvent exposure further support the possibility that most exposed cysteine residues, especially in domain III, may act as anchoring points for citrate-coated silver nanoparticles, potentially modulating the accessibility of aggregation interfaces. Overall, the results indicate that the unique aggregation behavior of HSA arises not from global structural or electrostatic differences, but from subtle, locally enhanced dynamical fluctuations that increase the probability of forming interaction-prone conformations. These insights lay the groundworks for future computational studies aimed at modulating albumin aggregation through targeted structural modifications.  

Le sieroalbumine dei mammifere presentano una struttura altamente conservata, ma l’albumina umana (HSA) mostra una marcata tendenza all’aggregazione rispetto alle sue omologhe non umane. In questa Tesi vengono indagate le origini molecolari di tale comportamento attraverso simulazioni di dinamica molecolare atomistica, condotte sia su sistemi a singola proteina sia su sistemi contenenti quattro proteine per le sieroalbumine umana, bovina, di coniglio, porcina e caprina. È stato applicato un ampio insieme di analisi strutturali, dinamiche ed elettrostatiche—tra cui pair-distance, analisi delle superfici elettrostatiche (PEP-Patch), momento di dipolo e funzioni di autocorrelazione, distribuzioni spaziali di ioni e buffer, Fluttuazioni delle Distanze (DF) e Analisi delle Componenti Principali (PCA)—allo scopo di identificare possibili determinanti dell’aggregazione. Le proprietà fisico-chimiche globali, quali il potenziale elettrostatico, l’orientamento del dipolo e lo screening ionico, risultano mediamente conservate tra le diverse specie, senza evidenziare elementi capaci di spiegare la maggiore aggregazione di HSA. La PCA indica una maggiore tendenza dell’HSA ad assumere conformazioni più chiuse, sia nello stato aggregato che monomerico. Sebbene questa caratteristica chiusura, nello stato aggregato, sia condivisa con l’RSA, l’HSA raggiunge livelli di chiusura maggiori rispetto all’RSA. Inoltre, l’analisi DF ha fornito risultati più promettenti per segnali specie-specifici. In particolare, DF ha rivelato un cluster di residui nel dominio I di HSA caratterizzato da una flessibilità significativamente maggiore rispetto alle altre specie, suggerendo che differenze dinamiche locali possano favorire la formazione si stati conformazionali predisposti all’aggregazione. Inoltre, l’analisi dell’esposizione dei residui di cisteina indica che i residui più esposti, in particolare nel dominio III, potrebbero fungere da punti di ancoraggio per le nanoparticelle d’argento rivestite con citrato, alterando l’accessibilità delle interfacce di aggregazione. Nel complesso, i risultati indicano che il comportamento aggregativo peculiare di HSA non deriva da differenze globali strutturali o elettrostatiche, ma da sottili variazioni dinamiche localizzate, capaci di aumentare la probabilità di formazione di contatti intermolecolari. Queste evidenze forniscono le basi per futuri studi computazionali volti a modulare l’aggregazione delle sieroalbumine mediante modificazioni strutturali mirate.