Osmolyte sind kleine organische Moleküle, welche das Faltungsgleichgewicht von Proteinen und die Bildung biomolekularer Kondensate durch liquid-liquid phase separation (LLPS) beeinflussen. Dadurch können sie Zellen von extrazellulärem Stress durch andere Moleküle oder externen Variablen wie Druck, Temperatur und pH schützen und erlauben das Gedeihen von Leben unter extremen Konditionen. Trimethylamine-N-oxide (TMAO) ist ein solcher Osmolyt, der wegen seiner Präsenz in Tiefseeorganismen, welche unter Hochdruckkonditionen leben, untersucht wird. Experimentell wurde gefunden, dass TMAO der Proteindenaturierung durch Druck und der Auflösung von LLPS, beide zentral für die Funktionen der Zelle, entgegenwirken kann. Trotzdem gibt es keinen Konsensus über den molekularen Mechanismus des stabilisierenden Effekts von TMAO und ein möglicher Mechanismus wird weiterhin stark diskutiert in dem Sinne, dass nicht klar ist, welche Interaktionen für TMAOs stabilisierende Fähigkeit verantwortlich sind. Es gibt viele Arten der Proteininteraktionen, von elektrostatischen Interaktionen (Salzbrückenformation zwischen geladenen Seitenketten), polare Interaktionen wie Wasserstoffbrücken, zu hydrophoben Interaktionen. Des Weiteren ist der Grund, weshalb TMAO ein "Piezolyt'', ein Osmolyt spezialisiert in der Fähigkeit Druck entgegenzuwirken, genannt wird und ob es sich von anderen Osmolyten unterscheidet, nicht klar.

Diese Arbeit fokussiert sich auf hydrophobe Interaktionen, welche eine der Haupttriebkräfte für Proteinfaltung und die Formation von Biokondensaten sind. Es werden molekulare Mechnismen über den kumulativen Effekt von TMAO und Temperatur, Druck oder Molekülgröße auf hydrophobe Interaktionen und hydrophobe Hydratation vorgeschlagen. Für diese Studien wurde eine Kombination von strukturellen Analysen der Lösungsmittel und Co-lösungsmittelverteilung, thermodynamische Analysen und statistische Mechanik Analysen genutzt. Zuletzt wurde das Faltungsgleichgewicht eines Mini-proteins analysiert, um das Wissen, welches mit hydrophoben Molekülen erhalten wurde, auf komplexere Systeme zu transferieren.

Ein Hauptproblem computergestützter Studien des TMAO Effekts ist die Existenz mehrerer Kraftfelder, welche oft nicht die experimentellen Eigenschaften reproduzieren können. Die Resultate in dieser Arbeit haben gezeigt, dass das hier genutzte Kraftfeld fähig ist die generellen Trends für das präferenzielle Binden, welche in Experimenten gesehen wurden, nachzubilden. Es wurde gezeigt, dass das präferenzielle Binden von TMAO von der Temperatur, Molekülgröße und Ladungszustand (Protonierungszustand) des gelösten Stoffes und seiner funktionellen Gruppen abhängt. Generell tragen die Präsenz von geladenen Gruppen zur Abstoßung von TMAO bei. TMAO wird abgestoßen (reduziert die Löslichkeit) von kleinen nicht-polaren gelösten Stoffen bei niedriger Temperatur und wechselt zum präferenziellen Binden (erhöht Löslichkeit) bei Erhöhung der Temperatur. Des Weiteren ist TMAO abgestoßen von kleinen repulsiven Molekülen bei allen Temperaturen, bindet jedoch an große repulsive Moleküle bei Raumtemperatur. TMAO erhöht hydrophobe Interaktionen von kleinen Molekülen unabhängig des präferenziellen Bindens. Dies beweist, dass TMAO die Aggregation von gelösten Stoffen nicht nur durch dessen Abstoßung von den Stoffen, wie normalerweise vorgeschlagen, sondern auch durch präferenzielles Binden fördern kann. Faszinierenderweise führt präferenzielles Binden von TMAO an große repulsive gelöste Stoffe zur Assoziation dieser durch einen surfactant-like mechanism, welcher bei niedrigen TMAO Konzentration den Effekt auf die Assoziation nicht-polarer Moleküle dominiert. Dies führt zu einem nicht-monotonen Trend des TMAO Effekts auf die Assoziation nicht-polarer Stoffe, da attraktive Interaktionen die Dissoziation unterstützen, was das Gleichgewicht zum dissoziierten Zustand bei hohen TMAO Konzentrationen verschiebt. Des Weiteren ist dieser nicht-monotone Trend auch bei hohem Druck vorhanden, aber der stabilisierende TMAO Effekt ist erhöht. Dies geschieht durch den erhöhten TMAO Dipol bei hohem Druck. Kraftfelder, die dies nicht einfangen, zeigen den beschriebenen Effekt auf die Assoziation gelöster Stoffe nicht. Daher führt bei hydrophoben Interaktionen der erhöhte TMAO Dipol zu dem Piezolyt-Effekt. Zuletzt wurde ein Protein mit hydrophoben, elektrostatischen und polaren Interaktionen simuliert. Es wurde gezeigt, dass hydrophobe und elektrostatische Interaktionen durch die Präsenz von TMAO erhöht werden. Außerdem verliert das Protein Protein-Lösungsmittel Wasserstoffbrücken in der TMAO Lösung im Vergleich zur Lösung mit purem Wasser. Dies destabilisiert sowohl den gefalteten als auch den entfalteten Proteinzustand, jedoch mehr den entfalteten Zustand durch seine größere Fläche, welche dem Lösungsmittel zugänglich ist. Dadurch führt TMAO zur Proteinfaltung durch den Verlust günstiger Protein-Lösungsmittel Wasserstoffbrücken.

Diese Thesis erweitert das momentane Wissen des TMAO Effekts auf hydrophobe Interaktionen. Außerdem werden kollektive Effekte betrachtet, was zur Erweiterung des Wissens in der gesamten Temperatur-Druck Ebene führt und auch das Wissen zu weiteren funktionellen Gruppen erweitert. Mehrere stabilisierende Effekte von TMAO auf hydrophobe Interaktionen und Proteinfaltung wurden entdeckt, was zu einer tiefen Erfassung der vielfältigen Interaktionen mit komplexeren Molekülen führt. Diese Erkenntnisse nutzen dem generellen Verständnis der Effekte von Co-lösungsmitteln auf das Kollapsgleichgewicht von Polymeren, das Faltungsgleichgewicht von Proteinen und die Bildung von Biokondensaten durch liquid-liquid phase separation (LLPS).