Applying the Scaled Particle Theory to the problem of kafirin solubility | Application de Scaled Particle Theory à la Problématique de la Solubilité de Kafirine

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English. Proteins have multiple functionalities such as structuring ability (aggregation-gelation, coacervation) and sur-face properties (emulsification, foaming, solid surface adsorption). Our working hypothesis is that protein sol-ubility is the key to controlling these functionalities, through the Gibbs free energy of cavity creation (ΔGC), one of component of solvation free energy. In order to better rationalise the solvation process of plant pro-teins, we used the Scaled Particle Theory, SPT, to compute ΔGC and chose to work with proteins known for their particularly low solvation rate in water, sorghum kafirin.Kafirin, sorghum’s storage proteins, are known for their high content of hydrophobic amino acids (60-65 %) in comparison to other prolamins, like wheat gluten proteins or corn zeins (about 50-55%). The resulting high hydrophobicity and self-assembling properties of kafirins lower their solubility.We aim to compute the energy needed to solvate these hydrophobic proteins by focusing on the structure of solvent molecules around non polar residues based on cavity formation. Cavity creation is pointed out to be an entropy driven process. In this study, we calculated ΔGC by SPT [1], [2], [3], using the characteristics of kafirin, in tert-butanol, isopropanol, ethanol and water.Following an experimental design, we showed that ΔGC is one of the main factors influencing kafirin solubility, along with temperature. The ΔGC for the different solvents tested varies from 0.157 to 0.317 kJ.mol-1.Å-2. The solvents’ ranking of cost of cavity creation is ΔGC(tert-butanol) < ΔGC(Isopropanol) < ΔGC(Ethanol) < ΔGC(Water). Finally, solvents with high packing density and low density fluctuations, decrease the energy of cavity creation resulting in increased protein solubility.References:[1] Graziano, G. (2006). Scaled Particle Theory Study of the Length Scale Dependence of Cavity Thermodynamics in Different Liquids. The Journal of Physical Chemistry B, 110(23), 11421‑11426. https://doi.org/10.1021/jp0571269[2] Graziano, G. (2015). The Gibbs energy cost of cavity creation depends on geometry. Journal of Molecular Liquids, 211, 1047‑1051. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2015.08.034[3] Pierotti, R. A. (1976). A scaled particle theory of aqueous and nonaqueous solutions. Chemical Reviews, 76(6), 717‑726. https://doi.org/10.1021/cr60304a002

French. Les protéines possèdent de multiples fonctionnalités, telles que la capacité de structuration (agrégation-gélification, coacervation) et les propriétés de surface (émulsification, moussage, adsorption sur surface solide). Notre hypothèse de travail est que la solubilité des protéines est la clé pour contrôler ces fonctionnalités, grâce à l'énergie libre de Gibbs de création de cavité (ΔGC), l'une des composantes de l'énergie libre de solvatation. Afin de mieux rationaliser le processus de solvatation des protéines végétales, nous avons utilisé la Scaled Particle Theory (SPT) pour calculer ΔGC et avons choisi de travailler avec des protéines connues pour leur taux de solvatation particulièrement faible dans l'eau, les kafirines de sorgho.Les kafirines, protéines de réserve du sorgho, sont connues pour leur teneur élevée en acides aminés hydrophobes (60 à 65 %) par rapport à d'autres prolamines, comme les protéines de gluten de blé ou les zéines de maïs (environ 50 à 55 %). L'hydrophobicité élevée et les propriétés d'auto-assemblage qui en résultent réduisent la solubilité des kafirines.Nous visons à calculer l'énergie nécessaire pour solubiliser ces protéines hydrophobes en nous concentrant sur la structure des molécules de solvant autour des résidus non polaires sur la base de la formation de cavités. La création de cavités est considérée comme un processus entropique. Dans cette étude, nous avons calculé ΔGC par SPT [1], [2], [3], en utilisant les caractéristiques des kafirines, dans le tert-butanol, l'isopropanol, l'éthanol et l'eau.À la suite d'un plan d'expérience, nous avons montré que le ΔGC est l'un des principaux facteurs influençant la solubilité de la kafirine, avec la température. Le ΔGC pour les différents solvants testés varie de 0,157 à 0,317 kJ.mol-1.Å-2. Le classement des solvants en fonction du coût de création de cavités est le suivant : ΔGC(tert-butanol) < ΔGC(isopropanol) < ΔGC(éthanol) < ΔGC(eau). Enfin, les solvants à haute densité de packing et à faibles fluctuations de densité réduisent l'énergie nécessaire à la création de cavités, ce qui augmente la solubilité des protéines.Bibliography :[1] Graziano, G. (2006). Scaled Particle Theory Study of the Length Scale Dependence of Cavity Thermodynamics in Different Liquids. The Journal of Physical Chemistry B, 110(23), 11421‑11426. https://doi.org/10.1021/jp0571269[2] Graziano, G. (2015). The Gibbs energy cost of cavity creation depends on geometry. Journal of Molecular Liquids, 211, 1047‑1051. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2015.08.034[3] Pierotti, R. A. (1976). A scaled particle theory of aqueous and nonaqueous solutions. Chemical Reviews, 76(6), 717‑726. https://doi.org/10.1021/cr60304a002