Design and study of peptide composite biomaterials

Abstract

The present PhD thesis is focused on the ‘Design and study of peptide composite biomaterials”. Self-assembling peptides are supramolecular entities that spontaneously form from elementary building blocks, held together with non-covalent interactions. Introduction of biological self-assembly principles in the field of biomaterial and nanoscale engineering, is relatively recent and many avenues still remain to be explored. A major advantage in the assembly of biological materials is their self-assembly from building blocks, under non-aggressive conditions such as ambient temperatures and aqueous environments, and the good interface that exists between organic and inorganic phases. Another important feature in biological materials and especially proteins is the possibility of tailored-made modifications that can be made at the sequence level in order to confer functionalities on the self-assembled scaffolds. These modifications cover a wide range and can include change of amino acids, incorporation of non-natural amino acids, and chemical modifications.The present thesis is focused on self-assembling octapeptides, made up from building blocks found in natural proteins. The aim of the project is to investigate minimal amino acid modifications for designing peptides that maintain their self-assembling ability intact and are able to anchor inorganic materials on their surface. The first part focuses on templating biosilica on the surface of the fibrils and the role of serine (SER (S)) residues is investigated in the templating of silica precursors. In the second part two-dimensional films are constructed and through thiolated peptides, quantum dot nanoparticles are deposited on the surface of the films. The third part reports the laser photocrosslinking of the formed assemblies, mediated by the introduction of crosslinkable aromatic residues. The final chapter focuses on a different self-assembling system and describes the synthesis of peptide-porphyrin hybrid materials with photoelectronic properties.Overall the thesis reports how a single self-assembling building block can be modified by rational choice of amino acids in order to be targeted for different functionalities.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζεται στην «Σύνθεση και μελέτη σύνθετων πεπτιδικών βιοϋλικών». Τα αυτο-οργανωμένα πεπτίδια είναι υπερμοριακές δομές οι οποίες αυτο-οργανώνονται αυθόρμητα από μικρούς ‘δομικούς λίθους’ οι οποίοι συνδέονται με μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις. Η εισαγωγή των αυτο-οργανωμένων βιολογικών αρχών στο πεδίο της μηχανικής των βιοϋλικών και της νανοδομής, είναι σχετικά πρόσφατη και πολλές κατευθύνσεις μένουν να μελετηθούν. Μεγάλο πλεονέκτημα στην οργάνωση των βιολογικών υλικών αποτελεί η αυτο-οργάνωση τους από ‘δομικούς λίθους’ υπό φυσιολογικές συνθήκες θερμοκρασίας και υδάτινου περιβάλλοντος καθώς επίσης και η ακριβής αλληλεπίδραση που υπάρχει μεταξύ οργανικών και ανόργανων φάσεων. Ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό στα βιολογικά υλικά και ειδικά στις πρωτεΐνες είναι η δυνατότητα της τροποποίησης τους σε επίπεδο αλληλουχίας με σκοπό την ενσωμάτωση λειτουργιών στις αυτο-οργανωμένες δομές. Αυτές οι αλλαγές καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος και περιλαμβάνουν αλλαγές στα αμινοξέα, εισαγωγή μη- φυσικών αμινοξέων και χημικές τροποποιήσεις.Η παρούσα διατριβή εστιάζετε στην αυτο-οργάνωση οκτα-πεπτιδίων, κατασκευασμένα με ‘δομικούς λίθους’ που προέρχονται από φυσικές πρωτεϊνες. Σκοπός της εργασίας είναι να διερευνήσει τις ελάχιστες αμινοξικές αλλαγές που χρειάζονται για τον σχεδιασμό πεπτιδίων που κρατούν την ιδιότητα αυτό-οργάνωσης ανέπαφη και είναι ικανά να προσδέσουν ανόργανα υλικά στην επιφάνεια τους.Το πρώτο μέρος της εργασίας στοχεύει στην πρόσδεση βιοπυριτίας στην επιφάνεια των ινών και επίσης διερευνείται ο ρόλος του κατάλοιπου της Σερίνης (Ser, S) στην πρόσδεση πυριτικών προδρόμων. Στο δεύτερο μέρος κατασκευάζονται υμένια δυο διαστάσεων και μέσω πεπτίδιων που περιέχουν θειόλες, γίνετε εναπόθεση κβαντικών νανοσωματιδίων στην επιφάνεια των υμενίων. Στο τρίτο μέρος γίνετε αναφορά στην διασύνδεση αυτο-οργανώμενων δομών μέσω πηγής φωτός Laser, διαμέσου εισαγωγής αρωματικών αμινοξέων. Στο τελευταίο μέρος περιγράφουμε ένα διαφορετικό αυτό-οργανώμενο σύστημα και μελετάμε την σύνθεση υβριδικών υλικών από πεπτίδια- πορφυρίνες με φωτοηλεκτρονικές ιδιότητες Γενικά η μελέτη αναδεικνύει πως ένας αυτό-οργανώμενος δομικός λίθος με προεπιλεγμένη σειρά αμινοξέων μπορεί να στοχεύσει σε διαφορετικές λειτουργίες.