Functionalized short peptides and polypeptides: from organic reactions, through secondary structure control, to supramolecular applications

Short helical peptides Peptides with a well-defined helical conformation were examined with the aims of reinforcing their secondary structure or using their rigid conformation to control asymmetric induction over long distances. In the first example, two consecutive i, i+4 intramolecular side chain-to-side chain macrocyclization reactions of different type, carried out on a preformed, partially helical linear peptide resulted in a double stapled, overlapping, bicyclic oligopeptide system. A detailed CD and NMR conformational study revealed that the mixed 310/α-helical conformation exhibited by the original linear peptide is converted into a fully-developed α-helix in the bicyclic peptide. In parallel, both the helix overall content and stability are significantly increased. In the second part, an achiral Aib-based helical foldamer was appropriately functionalized with the photoswitchable fumaramide/maleamide linkage, thus obtaining a system in which a screw sense preference may be activated by the absorption of UV light. The trans configuration in the fumaramide linkage holds the chiral residue away from the achiral portion of the oligomer, preventing the induction of a conformational preference. However, after photoisomerization, the cis configuration of the maleamide brings the chiral and achiral portions into proximity, generating a pronounced preference for one of the two possible, helical screw senses. In conclusion, we showed that it is feasible to use light to switch on and off the ability of the molecules to react strereoselectively in a chain extension reaction, or to modulate helix-to-helix communication. Functionalized helical polypeptides The well-known, rod-like α-helical polypeptide poly(γ-benzyl-L-glutamate) (PBLG) was selected for this study. The possibility to create self-assembled microstructures with different characteristics, shapes and functions from different PBLG-conjugates was explored. Mono- and bis-fullerene (C60)-PBLG conjugates were obtained by one-pot thiol-ene chemistry. These systems showed the propensity to self-assemble in water creating precise bulky microstructures of toroidal or vesicular shape. In a second part, we reported the synthesis of star-shaped carbon quantum dots (CQDs)-PBLG conjugates that self-assemble into microstructures and retain the characteristic emission properties of the native dots. CQDs, prepared by microwave-assisted carbonization of Arg and 1,2-ethylendiamine in water, were used either as initiators to afford a daisy-like peptide-polymer structure, or as capping agents towards more elaborated hybrid nanostructures that self-assemble into supramolecular aggregates of spherical shape. Finally, smart microstructures with photoresponsive behavior was obtained by the insertion of azobenzene-containing α-amino acids in PBLG systems. We created two systems, with either C2- or C3-symmetry, that self-assemble in spherical structures. The change in their 3D-structure after light irradiation is followed by a variation in the morphology of the aggregates. Self-assembling short peptides The synthesis and self-assembly properties of two different peptide systems were studied. The first series of compounds contain the photoswitchable α-amino acid bis[p-(phenylazo)benzyl]glycine, which undergoes a reversible cis-trans isomerization upon exposure to light at the appropriate wavelengths. Derivatives and short peptides containing this α-amino acid are able to promote the formation of well-ordered supramolecular structures. Interestingly, the morphological transition observed after UV-light irradiation proved to be reversible due to the presence of the two side-chain azobenzene groups. In the second part, we investigated the hydrophobic, terminally-protected dipeptide Boc-L-Cys(Me)-L-Leu-OMe that it is able to hierarchically self-assemble producing nano-, micro- and macroscale complex architectures, including hollow rods, under appropriate conditions. Our results suggested that its self-assembly properties might be related to the occurrence in its single crystal structure of a supramolecular sixfold helix motif. Subsequently, we decided to chemically modify the molecule to obtain a diacetylene derivative. This final compound is able to form an organogel or spherical aggregates, which undergo a topochemical polymerization under UV-light irradiation.

Peptidi elicoidali corti In questo lavoro di tesi sono stati studiati diversi peptidi caratterizzati da una ben definita conformazione elicoidale con lo scopo di stabilizzarne la struttura secondaria oppure di sfruttare la loro conformazione rigida come mezzo per controllare l’induzione asimmetrica su lunghe distanze. Il primo esempio, un sistema oligopeptidico biciclico doppiamente stabilizzato, è stato ottenuto tramite due reazioni di macrociclizzazione che hanno coinvolto le catene laterali dei residui in posizione i e i+4 di un peptide lineare. Un’indagine conformazionale dettagliata, condotta utilizzando le spettroscopie CD ed NMR, ha rivelato che la conformazione mista 310/α-elica, osservata per il peptide lineare, risulta completamente convertita in una struttura ad elevato contributo α-elicoidale nel peptide biciclico. In parallelo, sia il contenuto totale di elica sia la stabilità risultano significativamente aumentati. Nel secondo caso, un foldamero achirale elicoidale a base di Aib è stato opportunamente funzionalizzato con il gruppo fotoisomerizzabile fumarammide/maleammide contenente un residuo chirale. In questo modo è stato ottenuto un sistema in cui è stato possibile influenzare il senso di spiralizzazione dell’elica grazie all’uso di luce ultravioletta. La configurazione trans nella fumarammide, infatti mantiene il residuo chirale lontano dal segmento achirale dell’oligomero, rendendo impossibile l’induzione di una conformazione preferenziale. Tuttavia dopo l’isomerizzazione, la configurazione cis della maleammide consente alla parte chirale e a quella achirale di essere spazialmente vicine, con conseguente induzione di chiralità e adozione di un senso preferenziale di spiralizzazione. Sfruttando questo principio è stato quindi possibile utilizzare la luce per accendere o spegnere la capacità del sistema di reagire stereoselettivamente, oppure di modulare la comunicazione di chiralità tra due segmenti elicoidali. Polipeptidi elicoidali funzionalizzati Con lo scopo di ottenere tramite self-assembly microstrutture con differenti caratteristiche, forme e funzioni sono stati sintetizzati diversi sistemi coniugati a base di poli(γ-benzil-L-glutammato) (PBLG). Sistemi polipeptidici contenenti una o due unità di fullerene sono stati ottenuti tramite reazione tiol-ene one-pot. Questi due polimeri hanno mostrato una diversa propensione ad auto-assemblarsi in ambiente acquoso, formando microstrutture di forma toroidale oppure di tipo vescicolare. Come ulteriore esempio è stata riportata la sintesi di sistemi coniugati a base di PBLG e carbon quantum dots. I CQDs, preparati per trattamento in microonde a partire da una soluzione acquosa di arginina e 1,2-etilendiammina, sono stati usati come iniziatore, ottenendo una struttura polimerica a forma di stella, oppure come agente cappante, portando alla formazione di microstrutture più complesse. I sistemi ottenuti sono in grado di autoassemblarsi formando aggregati supramolecolari di forma sferica che mantengono le caratteristiche proprietà di emissione dei dots originali. Infine, microstrutture “smart” con comportamento fotoresponsivo sono state ottenute inserendo amminoacidi a base di azobenzene all’interno del sistema polipeptidico. Sono state quindi sintetizzate due strutture polipeptidiche con simmetria C2 e C3 che hanno evidenziato la formazione di strutture sferiche tramite self-assembly. Il cambiamento della loro struttura tridimensionale in seguito ad irraggiamento è accompagnato da una variazione nella morfologia degli aggregati. Peptidi corti auto-assemblanti In questo ultimo capitolo sono discusse la sintesi e le peculiari proprietà di self-assembly mostrate da due diversi sistemi peptidici. La prima serie di composti contiene l’amminoacido fotoisomerizzabile bis[p-(fenilazo)benzil]glicina, che è in grado di isomerizzare reversibilmente tra le due forme cis/trans in seguito ad irraggiamento con luce di adeguata lunghezza d’onda. Derivati e peptidi corti contenenti questo amminoacido sono in grado di promuovere la formazione di strutture supramolecolari ordinate. Inoltre, grazie alla presenza delle due unità di azobenzene sulle catene lineari, la transizione morfologica osservata in seguito ad irraggiamento si è dimostrata essere reversibile. Nella seconda parte di questo studio è stato esaminato il comportamento del dipeptide idrofobico protetto Boc-L-Cys(Me)-L-Leu-OMe. La formazione di nano-, micro- e macro- architetture complesse, tra cui bacchette caratterizzate da una cavità interna, è stata osservata in diverse condizioni sperimentali. I risultati ottenuti suggeriscono che le proprietà di self-assembly sono correlate all’organizzazione delle molecole nel cristallo singolo in cui è stata osservata la presenza di una particolare struttura supramolecolare elicoidale formata da sei molecole. Successivamente è stato deciso di modificare il dipeptide in modo da ottenere un derivato diacetilenico. Questo derivato è in grado di formare un organogel o delle strutture sferiche che possono subire polimerizzazione topochimica per irraggiamento UV.