Structure and dynamics of biomacromolecules in the bulk and under confinement

Abstract

Proteins achieve their functional diversity through precisely controlled hierarchical organization. Secondary structural motifs – particularly α-helices and β-sheets – dictate both topology and dynamics. However, the inherent complexity of natural systems often obscures clear structure-dynamics relationships. Synthetic polypeptides provide a platform for investigating these relationships while mimicking nature's design strategies. This thesis demonstrates how secondary structures govern protein behavior across different length- and timescales, through two complementary investigations: the inherent dynamics of the different secondary structures in non-hydrated environments, and their controlled hierarchical organization in block copolymers. The first part investigates poly(γ-benzyl-L-glutamate) (PBLG) homopolypeptides, which adopt either α-helical or/and β-sheet motifs depending on molar mass and chain end-group chemistry. We demonstrate that the two secondary structures exhibit distinct local and global dynamics. Two glass temperatures (Tgs) are evident in polypeptides that stabilize both secondary structures, each associated with the segmental dynamics of the amorphous α-helical and β-sheet segments. β-sheets exhibit slower local dynamics, lower fragility, and reduced pressure sensitivity compared to α-helices. We discuss these differences in terms of the different structural environments imposed by the type of hydrogen bonding (intra vs inter). The relaxation of the α-helical and β-sheet macrodipoles was also evident at longer timescales. We report that β-sheet forming oligopeptides exhibit a dipolar relaxation perpendicular to the chain. In addition, the different secondary structures have distinct viscoelastic signatures at the segmental level and at the domain level. The latter reflects the emergence of a tertiary structure, i.e., a "mesh", that decreases in size with increasing molar mass. β-sheet oligopeptides form rigid networks, ideal for bone scaffolds or load-bearing tissue (107 Pa), while low-molar-mass α-helical peptides form soft matrices, suited for tissue interfaces or membranes (1-20 kPa). Due to this self-organization, an elastic response was observed across all polypeptides at all frequencies. The second part explores amphiphilic diblock copolymers composed of PBLG and poly(ethylene glycol) (PEG), synthesized via ring-opening polymerization-induced self-assembly (ROPISA) in aqueous buffer. Using a combination of static (¹³C NMR, X-ray scattering, polarizing optical microscopy), thermodynamic (differential scanning calorimetry), and dynamic (dielectric spectroscopy) probes, we demonstrate an unprecedented six-level hierarchical organization – a phenomenon previously observed only in natural systems, such as tendons. Starting from smaller lengthscales, these levels include: the peptide secondary structures (α-helices and β-sheets), the PEG monoclinic unit cell, the lamellar nanodomain morphology of unlike blocks, an intermediate rod-like structure and the anisotropic superstructures of PEG crystals. These levels of organization could not be obtained in earlier morphology investigations of copolymers based on PEG and PBLG prepared by different methods. Furthermore, the type of NCA monomer (BLG-NCA vs Leu-NCA) and the solvent treatment method had an influence on the degree of segregation, the α-helical content, and the order-to-disorder transition temperature in the PEG-b-PBLG and PEG-b-PLeu (PLeu: poly(L-leucine)) copolymers. This work establishes that secondary structure, dictated by hydrogen-bonding patterns, governs polypeptide organization and dynamics across seven length- and time-scales. In homopolypeptides, β-sheets form rigid, pressure-resistant networks with low fragility, exhibiting mechanical properties suitable for stiff biomedical implants. Conversely, α-helices yield softer, more compliant matrices ideal for use as drug delivery carriers. In block copolymers, ROPISA leverages these same interactions to build six-level hierarchical architectures that mimic native protein organizations. Together, these findings may provide a framework for designing biomaterials with precisely controllable structural, dynamic, and mechanical properties, achieving multiscale, protein-like precision.

Οι πρωτεΐνες επιτυγχάνουν τη λειτουργική τους ποικιλομορφία μέσω μιας ελεγχόμενης ιεραρχικής οργάνωσης. Οι δευτεροταγείς δομές – α-έλικες και β-φύλλα – καθορίσουν τόσο την αρχιτεκτονική όσο και τη δυναμική των πρωτεϊνών. Αυτές οι δομές διέπουν τη συμπεριφορά των πρωτεϊνών σε διάφορες χρονικές κλίμακες, επηρεάζοντας την αναδίπλωση, τη λειτουργία και τη συναρμολόγηση τους. Ωστόσο, η εγγενής πολυπλοκότητα των φυσικών συστημάτων συχνά δυσκολεύει τη μελέτη των σχέσεων μεταξύ δομής-δυναμικής. Τα συνθετικά πολυπεπτίδια αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο για τη διερεύνηση αυτών των σχέσεων, εξαιτίας της δομικής και λειτουργικής τους ομοιότητα με τις πρωτεΐνες. Η παρούσα Διατριβή εξετάζει πώς τα συνθετικά πολυπεπτίδια μπορούν να μιμηθούν την ιεραρχική οργάνωση των πρωτεϊνών, απαντώντας σε δύο αλληλένδετα ερωτήματα: πρώτον, πώς οι δευτεροταγείς δομές καθορίζουν τη δυναμική και μηχανική συμπεριφορά των πολυπεπτιδίων σε μη ενυδατωμένα συστήματα και δεύτερον, πώς μπορούμε να ελέγξουμε την ανώτερη οργάνωση αυτών των δομικών μονάδων σε κλίμακες μήκους από νανόμετρα έως μικρόμετρα.Το πρώτο μέρος εστιάζει σε ομοπολυπεπτίδια πολυ(γ-βενζυλο-L-γλουταμινικού οξέος) (PBLG), τα οποία μπορούν να υιοθετήσουν α-έλικες ή/και β-φύλλα, ανάλογα με τη μοριακή μάζα και τη μακρομοριακή διασπορά του πεπτιδίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν δύο διακριτές θερμοκρασίες "μετάβασης υάλου" (Tgs) σε πολυπεπτίδια που σταθεροποιούν και τις δύο δευτεροταγείς δομές, καθεμία συσχετιζόμενη με τη δυναμική των άμορφων τμημάτων των α-ελίκων και β-φύλλων. Η μοριακή δυναμική αποκαλύπτει διακριτά χαρακτηριστικά για τα β-φύλλα, σε σύγκριση με τις α-έλικες: (i) πιο αργή δυναμική που σχετίζεται με το Tg, (ii) συστηματικά χαμηλότερες τιμές ευθραυστότητας και (iii) σημαντικά μειωμένη απόκριση σε πίεση. Οι διαφορές αυτές αποδίδονται στα διαφορετικά δομικά περιβάλλοντα που δημιουργούνται από τις δύο δομές εξαιτίας του διαφορετικού τύπου δεσμών υδρογόνου (διαμοριακοί δ.υ. για τα β-φύλλα έναντι ενδομοριακών δ.υ. για τις α-έλικες). Ακόμη, η χαλάρωση των μακροδιπόλων των α-ελίκων και β-φύλλων ήταν εμφανής σε μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες. Είναι η πρώτη φορά που παρατηρείται μηχανισμός χαλάρωσης δίπολου των β-φύλλων κάθετα προς την αλυσίδα. Επιπλέον, οι δύο δευτεροταγείς δομές παρουσιάζουν διακριτή ιξωδοελαστική συμπεριφορά σε μοριακό επίπεδο, τόσο σε μοριακό όσο και σε μεσοσκοπικό επίπεδο, γεγονός που σχετίζεται με την εμφάνιση μιας τριτοταγούς δομής, τύπου "δικτύου", το οποίο μειώνεται σε μέγεθος με την αύξηση της μοριακής μάζας. Τα πεπτίδια που σταθεροποιούν β-φύλλα σχηματίζουν άκαμπτα δίκτυα, κατάλληλα για εφαρμογές ως οστικά ικριώματα (~10⁷ Pa), ενώ τα μικρής μοριακή μάζας πεπτίδια που σταθεροποιούν α-έλικες σχηματίζουν πιο μαλακές μήτρες (1–20 kPa), κατάλληλες για βιοϊατρικές μεμβράνες ή διεπιφάνειες ιστών. Εξαιτίας αυτής της αυτοοργάνωσης, παρατηρήθηκε ελαστική απόκριση σε όλα τα δείγματα.Το δεύτερο μέρος εξετάζει αμφίφιλα δισυσταδικά συμπολυμερή πολυ(αιθυλενογλυκόλης)-b-πολυ(γ-βενζυλο-L-γλουταμινικού οξέος) (PEG-b-PBLG), που συντέθηκαν μέσω πολυμερισμού διάνοιξης δακτυλίου των N-καρβοξυανυδριτών των α-αμινοξέων με ταυτόχρονη αυτο-οργάνωση (ROPISA) σε υδατικό διάλυμα. Μέσω ενός συνδυασμού στατικών (13C NMR, σκέδαση ακτίνων Χ, πολωτική οπτική μικροσκοπία), θερμοδυναμικών (διαφορική θερμιδομετρία) και δυναμικών (διηλεκτρική φασματοσκοπία) τεχνικών, αποδεικνύουμε μια ιεραρχική οργάνωση έξι επιπέδων – φαινόμενο που έχει παρατηρηθεί μόνο σε φυσικά συστήματα, όπως οι τένοντες. Ξεκινώντας από μικρότερες κλίμακες, τα επίπεδα αυτά περιλαμβάνουν: τις δευτερογενείς δομές (α-έλικες και β-φύλλα), τη μονοκλινή κυψελίδα του κρυσταλλικού PEG, τη φυλλοειδή μορφολογία των διαφορετικών συστάδων, μια ενδιάμεση ραβδοειδή δομή και τις ανισότροπες υπερδομές των κρυστάλλων του PEG. Αυτά τα επίπεδα οργάνωσης δεν είχαν παρατηρηθεί σε προηγούμενες μελέτες συμπολυμερών PEG-PBLG που παρασκευάστηκαν με άλλες μεθόδους. Επιπλέον, ο τύπος του μονομερούς NCA (BLG-NCA έναντι Leu-NCA) και η μέθοδος προετοιμασίας του διαλύματος επηρέασαν το βαθμό διαχωρισμού, το ποσοστό των α-ελίκων και τη θερμοκρασία μετάβασης τάξης-αταξίας στα συμπολυμερή PEG-b-PBLG και PEG-b-PLeu (PLeu: πολυ(L-λευκίνη)).Συνολικά, η Διατριβή αποδεικνύει ότι η δευτεροταγής δομή διέπει την οργάνωση των πολυπεπτιδίων σε όλες τις κλίμακες μήκους. Στα ομοπολυπεπτίδια, τα β-φύλλα σχηματίζουν άκαμπτα, ανθεκτικά στην πίεση δίκτυα με χαμηλή ευθραυστότητα, παρουσιάζοντας μηχανικές ιδιότητες, κατάλληλα ως άκαμπτα βιοϊατρικά εμφυτεύματα. Αντίθετα, οι α-έλικες σχηματίζουν πιο εύκαμπτες μήτρες, ιδανικές για χρήση ως φορείς χορήγησης φαρμάκων. Στα συμπολυμερή, ο νέος τρόπος σύνθεσης (ROPISA) αξιοποιεί τις ίδιες δομές για τη δημιουργία ιεραρχικών επιπέδων, που μιμούνται την οργάνωση φυσικών πρωτεϊνών. Τα αποτελέσματα συμβάλλουν στο σχεδιασμό βιοϋλικών με ελεγχόμενες δομικές, δυναμικές και μηχανικές ιδιότητες, επιτυγχάνοντας ακρίβεια συγκρίσιμη με αυτή των πρωτεϊνών.