Επίδραση της αρχιτεκτονικής και του περιορισμού στην αυτοοργάνωση και στη δυναμική πολυπεπτιδίων

Abstract

This Thesis investigates the effect of architecture, confinement, and surfaces on the selfassembly and dynamics of synthetic polypeptides. Conformational studies of model polypeptides are an important step towards the understanding of protein folding. The mechanism by which the secondary structure depends on the self-assembly is still not well-understood. Moreover, methods of controlling the secondary structure towards α-helices or β-sheets are of great interest, in prion diseases for example. The dynamic behaviour of such systems is also important because it reflects to the polypeptide functionality. First, the effect of architecture and topology on the two main secondary structures (α- helices/β-sheets) and on dynamics was studied. The effect on the stability and the persistence length of the secondary structures was studied in: a) copolypeptides with statistical alternation of repeat units, that form both secondary structures, b) diblock copolypeptides with one block that forms only α-helices and another that forms both secondary structures, c) star copolypeptides, to study the effect of topology on nanophase separation and secondary structure, and d) peptide-functionalized polyphenylene dendrimers. We employed structural (WAXS, SAXS, NMR) and dynamic (Dielectric Spectroscopy, NMR) techniques. The strong thermodynamic field has two consequences: to destabilize β-sheets and to improve the persistence length of α-helices. The comparison between linear and star copolymers showed that self-assembly provides with a tool of controlling the secondary structure. Second, we studied the effect of confinement and surfaces on the self-assembly and dynamics. Protein interactions with nanopores and surfaces are important during protein translocation in the biological cell. We employed a series of polypeptide nanorods synthesized inside nanoporous aluminum oxide. The self-assembly and the dynamics of both free-standing and embedded nanorods were investigated by employing NMR, WAXS, and DS. The bulk secondary structure (α-helices) was preserved in all cases. It was found that confinement has no effect in the free-standing case, but confinement within small nanopores together with surface interactions lead to change of the dynamics. There exists a strong effect of surfaces on the local polypeptide dynamics, due to the formation of hydrogen bonds between the adsorbed polypeptide chains and charged alumina walls resulting in an interfacial layer with unusual dynamics.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκε η επίδραση της αρχιτεκτονικής, του περιορισμού, και των επιφανειών στην αυτοοργάνωση και στη δυναμική πολυπεπτιδίων. Διερευνάται ο τρόπος που η δευτεροταγής δομή επηρεάζεται από την αυτοοργάνωση. Ο έλεγχος της δευτεροταγούς δομής αποτελεί κεντρικό σημείο στη σύνθεση φαρμάκων εναντίον εκφυλιστικών ασθενειών. Εκτός από τη δομή, η γνώση της δυναμικής τέτοιων συστημάτων έχει επίσης σημασία, διότι έχει επίπτωση στη λειτουργικότητα των πολυπεπτιδίων. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση της αρχιτεκτονικής στις δύο κύριες δευτεροταγείς δομές πολυπεπτιδίων (α-έλικες/β-φύλλα), και στη δυναμική τους. Ιδιαίτερα μας απασχόλησε η επίδραση στη σταθερότητα και στο μήκος εμμονής των δευτεροταγών δομών. Γι’ αυτόν το σκοπό μελετήθηκαν α) πολυπεπτίδια με στατιστική εναλλαγή επαναλαμβανόμενων δομικών μονάδων που παρουσιάζουν και τις δύο δευτεροταγείς δομές, β) δισυσταδικά συμπολυπεπτίδια, με μία συστάδα η οποία εμφανίζει μόνο α-έλικες και η άλλη και τις δύο δευτεροταγείς δομές, γ) αστεροειδή συμπολυπεπτίδια, με σκοπό τη μελέτη της τοπολογίας στο νανοφασικό διαχωρισμό και στη δευτεροταγή οργάνωση, δ) δενδριμερή πολυφαινυλενίων με προσαρτημένα πεπτίδια, διαφορετικού μεγέθους πυρήνα, πλήθους υποκατεστημένων θέσεων, και βαθμού πολυμερισμού των πεπτιδίων. Χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές εξέτασης της δομής (ακτίνες-Χ, NMR) και της δυναμικής (Διηλεκτρική Φασματοσκοπία, NMR). Βρέθηκε ότι το ισχυρό θερμοδυναμικό πεδίο που αναπτύσσεται μεταξύ των συστάδων κατά το νανοφασικό διαχωρισμό επιδρά στη σταθερότητα και στο μήκος εμμονής των δευτεροταγών δομών, αφενός βελτιώνοντας τις α-έλικες και αφετέρου αποσταθεροποιώντας τα β-φύλλα. Έπειτα μελετήθηκε η επίδραση του περιορισμού και των επιφανειών στην αυτοοργάνωση και στη δυναμική πολυπεπτιδίων, κάτι που παρουσιάζει ενδιαφέρον στη σταθερότητα και στη λειτουργία των πρωτεϊνών κατά τη μεταφορά τους μέσα στο κύτταρο. Γι’ αυτό μελετήθηκε μια σειρά νανοράβδων πολυπεπτιδίου, των οποίων η σύνθεση έγινε στο εσωτερικό πορώδους αλουμίνας. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε τόσο σε ελεύθερες όσο και σε ενσωματωμένες νανοράβδους με χρήση NMR, σκέδασης ακτίνων-Χ, και ΔΦ. Βρέθηκε ότι ενώ ο γεωμετρικός περιορισμός δεν έχει σημαντική επίδραση στη δυναμική, ο συνδυασμός του περιορισμού με διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις σε νανοπόρους μικρής διαμέτρου μεταβάλλει σημαντικά τη δυναμική. Λόγω του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου μεταξύ της επιφάνειας και του πολυπεπτιδίου εμφανίζεται ένα διεπιφανειακό στρώμα πολυπεπτιδίου με διαφορετικά δυναμικά χαρακτηριστικά.