As the field of colloidal science continues to expand, tools for rapid and accurate physiochemical characterization of colloidal particles will become increasingly important. Here, we present Particle Scattering Diffusometry (PSD), a method that utilizes dark field microscopy and the principles of particle image velocimetry to measure the diffusivity of particles undergoing Brownian motion. PSD measures the diffusion coefficient of particles as small as 30 nm in diameter and is used to characterize changes in particle size and distribution as a function of small, label-free, surface modifications of particles. We demonstrate the rapid sizing of particles using three orders-of-magnitude less sample volume than current standard techniques and use PSD to quantify particle uniformity. Furthermore, PSD is sensitive enough to detect biomolecular surface modifications of nanometer thickness. With these capabilities, PSD can reliably aid in a wide variety of applications, including colloid sizing, particle corona characterization, protein footprinting, and quantifying biomolecule activity.

Summary The extracellular matrix (ECM) is an integral part of multicellular organisms, connecting different cell layers and tissue types. During morphogenesis and growth, tissues undergo substantial reorganization involving cellular proliferation, migration, and differentiation. While it is intuitive that the ECM remodels in concert, little is known regarding how matrix composition and organization change during development. We utilized tissue fractionation and mass spectrometry to define ECM protein (matrisome) dynamics during murine forelimb development and resolved significant differences in ECM composition as a function of development, disease and tissue type. Additionally, we used bioorthogonal non-canonical amino acid tagging (BONCAT) to label newly synthesized ECM within the developing forelimb. We demonstrate the feasibility of using BONCAT to enrich for newly synthesized matrisome components and identified differences in ECM synthesis between morphogenesis and growth. This resource will guide future research investigating the role of the matrisome during complex tissue development.

In absence of efficient ways to test drug stability and efficacy, pharmaceuticals that have been stored outside of set temperature conditions are destroyed, often at great cost. This is especially problematic for biotherapeutics, which are highly sensitive to temperature fluctuations. Current platforms for assessing the stability of protein-based biotherapeutics in high throughput and in low volumes are unavailable outside of research and development laboratories and are not efficient for use in production, quality control, distribution, or clinical settings. In these alternative environments, microanalysis platforms could provide significant advantages for the characterization of biotherapeutic degradation. Here we present particle diffusometry (PD), a new technique to study degradation of biotherapeutic solutions. PD uses a simple microfluidic chip and microscope setup to calculate the Brownian motion of particles in a quiescent solution using a variation of particle image velocimetry (PIV) fundamentals. We show that PD can be used to measure the viscosity of protein solutions to discriminate intact protein from degraded samples as well as to determine the change in viscosity as a function of therapeutic concentration. PD viscosity analysis is applied to two particularly important biotherapeutic preparations: insulin, a commonly used protein for diabetic patients, and monoclonal antibodies which are an emerging class of biotherapeutics used to treat a variety of diseases such as autoimmune disorders and cancer. PD-based characterization of solution viscosity is a new tool for biotherapeutic analysis, and owing to its easy setup could readily be implemented at key points of the pharmaceutical delivery chain and in clinical settings.

A tau variant phosphorylated on threonine 181 (pT181-tau) has been widely investigated as a potential Alzheimer9s disease (AD) biomarker in cerebrospinal fluid (CSF) and blood. pT181-tau is present in neurofibrillary tangles (NFTs) of AD brains, and CSF levels of pT181-tau correlate with overall NFT burden. Various immuno-based analytical methods, including Western blotting and ELISA, have been used to quantify pT181-tau in human biofluids. The reliability of these methods depends on the affinity and binding specificity of the antibodies used to measure pT181-tau levels. Although both of these properties could in principle be affected by phosphorylation within or near the antibody9s cognate antigen, such effects have not been extensively studied. Here, we developed a biolayer interferometry assay to determine the degree to which the affinity of pT181-tau antibodies is altered by the phosphorylation of serine or threonine residues near the target epitope. Our results revealed that phosphorylation near T181 negatively affected the binding of pT181-tau antibodies to their cognate antigen to varying degrees. In particular, two of three antibodies tested showed a complete loss of affinity for the pT181 target when S184 or S185 was phosphorylated. These findings highlight the importance of selecting antibodies that have been thoroughly characterized in terms of affinity and binding specificity, addressing the potential disruptive effects of post-translational modifications in the epitope region, to ensure accurate biomarker quantitation.

Abstract Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) is a complex multifunctional kinase that is highly expressed in central nervous tissues and plays a key regulatory role in the calcium signaling pathway. Despite over 30 years of recombinant expression and characterization studies, CaMKII continues to be investigated for its impact on signaling cooperativity and its ability to bind multiple substrates through its multimeric hub domain. Here we compare and optimize protocols for the generation of full-length wild-type human calcium/calmodulin-dependent protein kinase II alpha (CaMKIIα). Side-by-side comparison of expression and purification in both insect and bacterial systems shows that the insect expression method provides superior yields of the desired autoinhibited CaMKIIα holoenzymes. Utilizing baculovirus insect expression system tools, our results demonstrate a high yield method to produce homogenous, monodisperse CaMKII in its autoinhibited state suitable for biophysical analysis. Advantages and disadvantages of these two expression systems (baculovirus insect cell versus Escherichia coli expression) are discussed, as well as purification optimizations to maximize the enrichment of full-length CaMKII.

Abstract Identification and quantitation of newly synthesized proteins (NSPs) are critical to understanding protein dynamics in development and disease. Probing the nascent proteome can be achieved using non-canonical amino acids (ncAAs) to selectively label the NSPs utilizing endogenous translation machinery, which can then be quantitated with mass spectrometry. Since its conception, ncAA labeling has been applied to study many in vitro systems and more recently the in vivo proteomes of complex organisms such as rodents. In vivo labeling is typically achieved by introducing ncAAs into diet, which requires extended labeling times. We have previously demonstrated that labeling the murine proteome is feasible via injection of azidohomoalanine (Aha), a ncAA and methionine (Met) analog, without the need for Met depletion. With the ability to isolate NSPs without applying stress from dietary changes, Aha labeling can address biological questions wherein temporal protein dynamics are significant. However, accessing this temporal resolution requires a more complete understanding of Aha distribution kinetics in tissues. Furthermore, studies of physiological effects of ncAA administration have been limited to gross observation of animal appearance. To address these gaps, we created a deterministic, compartmental model of the biokinetic transport and incorporation of Aha in mice. Parameters were informed from literature and experimentally. Model results demonstrate the ability to predict Aha distribution and labeling under a variety of dosing paradigms and confirms the use of the model as a tool for design of future studies. To establish the suitability of the method for in vivo studies, we investigated the impact of Aha administration on normal physiology by analyzing the plasma metabolome following Aha injection. We show that Aha administration does not significantly perturb cellular functions as reflected by an unchanged plasma metabolome compared to non-injected controls. Author Summary As the machinery of life, proteins play a key role in dynamic processes within an organism. As such, the response of the proteome to perturbation is increasingly becoming a critical component of biological and medical studies. Dysregulation of protein mechanisms following exposure to experimental treatment conditions can implicate physiological mechanisms of health and disease, elucidate toxin/drug response, and highlight potential targets for novel therapies. Traditionally, these questions have been probed by studying perturbations in total proteins following an experimental treatment. However, the proteome is expansive and noisy, often an early response can be indiscernible against the background of unperturbed proteins. Here, we apply a technique to selectively label newly synthesized proteins, which enables capturing early changes in protein behavior. We utilize an amino acid analog that naturally incorporates into proteins, and investigate the tissue distribution, protein labeling efficiency, and potential physiological impact of this analog in mice. Our results demonstrate that we can reproducibly predict protein labeling and that the administration of this analog does not significantly alter in vivo physiology over the course of our experimental study. We further present a computational model that can be used to guide future experiments utilizing this technique to study proteomic responses to stimuli.

Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) accounts for up to 2 percent of all brain protein and is essential to memory function. CaMKII activity is known to regulate dynamic shifts in the size and signaling strength of neuronal connections, a process known as synaptic plasticity. Increasingly, computational models are used to explore synaptic plasticity and the mechanisms regulating CaMKII activity. Conventional modeling approaches may exclude biophysical detail due to the impractical number of state combinations that arise when explicitly monitoring the conformational changes, ligand binding, and phosphorylation events that occur on each of the CaMKII holoenzyme's twelve subunits. To manage the combinatorial explosion without necessitating bias or loss in biological accuracy, we use a specialized syntax in the software MCell to create a rule-based model of the twelve-subunit CaMKII holoenzyme. Here we validate the rule-based model against previous measures of CaMKII activity and investigate molecular mechanisms of CaMKII regulation. Specifically, we explore how Ca2+/CaM-binding may both stabilize CaMKII subunit activation and regulate maintenance of CaMKII autophosphorylation. Noting that Ca2+/CaM and protein phosphatases bind CaMKII at nearby or overlapping sites, we compare model scenarios in which Ca2+/CaM and protein phosphatase do or do not structurally exclude each other's binding to CaMKII. Our results suggest a functional mechanism for the so-called “CaM trapping” phenomenon, such that Ca2+/CaM structurally excludes phosphatase binding and thereby prolongs CaMKII autophosphorylation. We conclude that structural protection of autophosphorylated CaMKII by Ca2+/CaM may be an important mechanism for regulation of synaptic plasticity.