Protein Stability Across Length and Time Scales
Doktorsavhandling, 2026

Proteins are fundamental to all living organisms, and their correct folding is vital for many biological processes. A group of diseases collectively known as amyloidosis is characterised by the formation of amyloid fibrils, highly ordered protein aggregates that can accumulate in various tissues. Disaccharides, particularly trehalose, are known to stabilise proteins partly by elevating their denaturation temperature, thereby reducing unfolding and aggregation, yet the underlying mechanisms remain incompletely understood. Improving our understanding of protein misfolding and the role of sugars in
inhibiting amyloid fibril formation is therefore of great importance.
This thesis investigates how the disaccharides trehalose and sucrose influence protein stability, dynamics, and aggregation through their interactions with proteins and the surrounding aqueous environment. Neutron and X-ray scattering show that proteins remain preferentially hydrated in the presence of both sugars, with little direct interaction with the surface of the protein. Despite their structural similarity, trehalose reduces the protein dynamics to a greater extent than sucrose, consistent with a more pronounced coupling to the hydration water. Differential scanning calorimetry demonstrates that
both disaccharides enhance protein thermal stability by increasing the denaturation temperature.
In addition to stabilisation of the native state, the role of disaccharides in protein aggregation is examined. Small- and wide-angle X-ray scattering show that both trehalose and sucrose suppress aggregation and inhibit the formation of mature fibrils. Amyloid fibrils are commonly described as highly ordered and rigid structures. However, neutron spin echo and dielectric spectroscopy reveal that lysozyme amyloid fibrils retain internal dynamics similar in strength and time scale to those of the native protein, and that these dynamics, as in the monomers, are governed by the surrounding solvent.
Furthermore, the fibrils display flexible, polymer-like segmental dynamics in solution, revealing a pronounced multiscale dynamical behaviour, which may be important for understanding their role in neurodegenerative diseases.

myoglobin

DSC

sucrose

DS

amyloid fibrils

trehalose

glass transition

neutron scattering

protein denaturation

lysozyme

Pj-salen
Opponent: Prof. Jennifer McManus, Head of School of Physics, University of Bristol

Författare

Kajsa Ahlgren

Nano- och biofysik 1

New insights into the protein stabilizing effects of trehalose by comparing with sucrose

Physical Chemistry Chemical Physics,;Vol. 25(2023)p. 21215-21226

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The nature of trehalose–protein interactions in aqueous solutions revealed by neutron scattering

Nanoscale,;Vol. 18(2026)p. 8609-8621

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The inhibition of fibril formation of lysozyme by sucrose and trehalose

RSC Advances,;Vol. 14(2024)p. 11921-11931

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Comparison of Sucrose and Trehalose for Protein Stabilization Using Differential Scanning Calorimetry

Journal of Physical Chemistry B,;Vol. 128(2024)p. 4922-4930

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Ahlgren, K., Pipertzis, A., Hoffmann, I., and Swenson J. Multiscale Dynamics of Lysozyme Amyloid Fibrils Probed by Neutron Spin- Echo and Dielectric Spectroscopy

Ahlgren, K., Ermilova, I., Youngs, T., Headen, T., and Swenson, J. The Effect of Trehalose and Sucrose on the Formation of Amyloid Fibrils of Lysozyme — A Neutron Diffraction Study

I naturen finns organismer som kan torka ut nästan helt och ändå överleva i åratal, för att sedan väckas till liv igen när de återigen exponeras för vatten. Bakom denna anmärkningsvärda förmåga ligger ofta ett socker som heter trehalos. Samma socker, tillsammans med sin nära släkting sackaros, används idag för att skydda proteinbaserade läkemedel, vacciner och frysta biologiska prover från att förstöras under lagring. Men trots decennier av forskning är det fortfarande inte helt klarlagt varför dessa sockerarter är så bra på sitt jobb. Denna avhandling undersöker frågan genom studier av två modellproteiner – myoglobin och lysozym – tillsammans med trehalos och sackaros. Genom att kartlägga hur sockermolekylerna samspelar med proteiner och vatten på molekylär nivå, framträder en tydligare bild av sockrats skyddande mekanismer.Resultaten visar att proteinet hellre omger sig med vattenmolekyler än med socker – ett fenomen som kallas preferentiell hydratisering. Sockermolekylerna håller sig alltså på avstånd, men påverkar ändå proteinet indirekt genom att bromsa rörelserna hos vattnet närmast proteinytan. På så vis stabiliseras proteinet utan direkt kontakt med sockret. Trehalos visar sig vara något bättre på att bromsa dynamiken, medan sackaros istället höjer proteinet denatureringstemperatur aningen mer. Avhandlingen undersöker också hur sockerarterna kan motverka bildningen av amyloida fibriller – skadliga proteinaggregat kopplade till sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons. Båda sockren visar sig bromsa fibrillbildningen, dels genom att stabilisera proteinets naturliga form, dels genom att påverka själva aggregeringsprocessen. Tillsammans bidrar dessa upptäckter till en djupare förståelse av sockrets skyddande mekanismer – kunskap som kan bli värdefull för framtidens läkemedel och bevaringstekniker.

Sockers roll för stabilisering och kryokonservering av proteiner

Vetenskapsrådet (VR) (2019-04020), 2020-01-01 -- 2023-12-31.

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Molekylärbiologi

Biofysik

Fysikalisk kemi

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Livsvetenskaper och teknik (2010-2018)

Fundament

Grundläggande vetenskaper

DOI

10.63959/chalmers.dt/5885

ISBN

978-91-8103-428-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5885

Utgivare

Chalmers

Pj-salen

Opponent: Prof. Jennifer McManus, Head of School of Physics, University of Bristol

Mer information

Senast uppdaterat

2026-05-12