Nanotecnologie e Strumentazione Scuola estiva Borsisti PLS Perugia 26 agosto-1 settembre 2007 Peptidi funzionalizzati come nuovi materiali intelligenti Mariano Venanzi venanzi@uniroma2.it Centro di Nanoscienze, Nanotecnologie e Strumentazione

Le proteine sono nanomacchine! Motori molecolari Conversione di energia luminosa Catalizzatori chimici Canali ionici

Mimicking the capability of biological systems to convert and transduce energy, synthesise specialist organic chemistry, create biomass, store information, recognise sense, signal, move, self-assemble and reproduce represents a significant challenge for the future. Christopher R. Lowe In ‘Nanobiotechnology: the fabrication and application of chemical and biological nanostructures’

Cos'è una proteina? E’ un filamento di amminoacidi

I 20 amminoacidi naturali

Perchè proprio peptidi? Le attuali metodologie di sintesi peptidica permettono di sintetizzare facilmente una sequenza qualsiasi tra 5 e 50 amminoacidi. Peptidi possono essere progettati in modo da assumere specifiche strutture secondarie (-eliche, -sheets, -hairpins,..) Peptidi possono essere progettati in modo da avere specifiche proprietà di autoassemblaggio (regioni idrofiliche e idrofobiche) Peptidi sono oggetti intrinsecamente chirali, che danno luogo a strutture supramolecolari chirali! Peptidi possono essere facilmente funzionalizzati con gruppi intelligenti (adding smartness)

Esiste una gerarchia di strutture....

da interazioni locali....

....e interazioni collettive

Il legame peptidico

Struttura secondaria - elica - sheet

-elica 13 atomi per ciclo 3.5 residui per spira Legame a Idrogeno ii+4 13 atomi per ciclo 3.5 residui per spira

L’ -elica è stabilizzata da favorevoli interazioni dipolari. Tutti i legami peptidici puntano nella stessa direzione, dando a luogo a favorevoli interazioni dipolo-dipolo.

la formazione di strutture ordinate congela molti gradi di libertà Gli angoli di rotazione interna caratteristici di strutture elicoidali corrispondono a minimi dell’energia potenziale ma… la formazione di strutture ordinate congela molti gradi di libertà

-elica Eliche formate da pochi amminoacidi non sono stabili in soluzione, allorchè vengano estratte dalla struttura proteica nativa J. Biochem. Vol. 129, pp. 971-977 (2001)

‘Foldamers are molecules that have well-defined and predictable folding properties in solution.’ S. H. Gellman, Accounts of Chemical Research 1998, 31, 173.

Amminoacidi disostituiti C,

Amminoacidi disostituiti C, Elica 310 -elica

Energy Transfer R = interchromophoric distance

b peptidi

b peptidi

Progettare nuovi materiali nanometrici L'approccio bottom-up Sintetizzare building-bloks molecolari funzionalizzati Costruire per autoassemblaggio strutture nanometriche a 2- o 3- dimensioni sensibili a stimoli esterni 3. Deposizione ordinata in architetture molecolari indirizzabili (Patterning)

Costruzione di strutture terziarie

LEGO molecolare: unità strutturali peptidiche

Fibrille peptidiche forma complementare interazioni deboli, non covalenti

Peptide Lego 16 amminoacidi con un pattern alternato di residui polari e non polari. Formano -sheet e -strand che per autoassemblaggio danno luogo alla formazione di nanofibre anfifiliche (idrofobiche all’interno, idrofiliche all’esterno). In opportune condizioni si ottengono idrogel ad alto contenuto di acqua.

Nanotubi peptidici Hanno una testa polare (carica positivamente o negativamente) e una coda idrofobica (peptide surfactant). Per autoassemblaggio formano nanotubi e nanovescicole con un diametro di 30-50 nm, dando luogo a superstrutture reticolate.

Nanotubi peptidici Peptidi ciclici in configurazione alternata D,L possono assemblarsi in strutture nanometriche cilindriche capaci di permeare membrane biologiche.

Microcontact printing Inchiostro peptidico Microcontact printing Una testa funzionalizzata per il riconoscimento di cellule o di biomolecole; uno spaziatore per la separazione fisica dalla superficie; una coda funzionalizzata per l’attacco covalente sulla superficie.

Nanotubi peptidici funzionalizzati

Nanotubi di carbonio funzionalizzati con unità peptidiche vettori terapeutici rilascio di farmaci sensori di proteine

Riconoscimento di DNA K. A. Williams, P. T. M. Veenhuizen, B. G. de la Torre, R. Eritja and C. Dekker Nature 420, 761(2002)

Nanoparticelle di oro funzionalizzate con unità peptidiche Controllo programmato dell’espressione genica: Nanoparticelle d’oro funzionalizzate con un peptide (S18), che si lega su una proteina S per formare un complesso funzionale S- RNasi [Park et al., 2004; Audin et al., 2005]. 

Soft-litografia Patterning Microarrays di fibrille peptidiche depositate su un substrato piano attraverso soft-litografia.

Microfluidica Patterning a: Un elastomero (polidimetil silossano, PDMS) è usato per creare canali micrometrici che servono come guida per una soluzione peptidica che scorre per capillarità sul substrato di vetro. b: array lineari di argento ottenuti per incubazione sul peptide depositato su vetro di una soluzione 0.1 mM di AgNO3 per 48h a temperatura ambiente. c: Fluorescenza delle particelle di argento

Peptronics: Peptidi per l'elettronica molecolare hexc Elettroni or energia A D hem Donore D* Dem Accettore (D+····A-) Stato a trasferimento di carica

Elettronica Molecolare: unità logica di AND habs e- habs Input chimico Input ottico D A D A Off hem On Input ottico chimico Output And 1

Eliche peptidiche generano un campo elettrostatico direzionale (3 Eliche peptidiche generano un campo elettrostatico direzionale (3.5 D per residuo)!

Eliche peptidiche controllano la direzione del trasferimento elettronico + - A- D+ D+ A- in 310-helix: k1 ≈ 30 k2 in random coil: k1 ≈ k2 M.A. Fox, JACS (1997)

Monostrati peptidici autoassemblati su oro Aib-Aib-Aib-Aib-Trp-Aib-OtBu Au Il peptide assume una rigida struttura in elica 310 Ha in sequenza un amminoacido fluorescente (Trp) e un gruppo disolfuro per legarlo covalentemente alla superficie d’oro (acido lipoico)

STM imaging Buche (holes) Stripes Buche di diametro di 20-50 Å sono la struttura predominante. La profondità delle buche (2.4 Å) corrisponde allo step monoatomico di Au(111) Buche (holes) fasci peptidici regolarmente depositati sulla superficie (stripes). Ogni filare è separato di 7 nm. Stripes

Il SAM peptidico inibisce la scarica agli elettrodi! Elettrodo nudo SAM peptidico SAM di undecatiolo

Generazione di fotocorrente

La risposta corrente vs La risposta corrente vs. potenziale applicato dipende dalle interazioni tra il SAM peptidico e la superficie elettrodica. SAM peptidico SAM di undecatiolo

Elettrodo nudo SAM peptidico misto SAM a singolo peptide

Uno switch molecolare fotoattivato! Emanuela Gatto, Ph.D. Thesis Premio Semerano 2007

Where Nature ends, there begins the man, that using the substances and the methods that Nature used, creates infinite species. Jean-Marie Lehn Supramolecular Chemistry. Concepts and Perspective, VCH, Weinheim 1995