Effetti della chiralità su librerie covalenti dinamiche di peptidi

Peptides are a class of biomolecules that has attracted a lot of interest in different scientific fields, thanks to their biocompatibility and potential to self-assemble into supramolecular structures in water. In particular, cyclopeptides composed of α-amino acids have been intensively studied for their ability to stack into supramolecular nanotubes, which are held together by intermolecular hydrogen bonding. The intense research efforts in this area have unravelled the design rules for self-assembly in terms of stereoconfiguration, and amino-acidic composition. However, an extensive investigation on this class of compounds requires a synthetic effort that is not trivial. Dynamic covalent chemistry (DCC) thus offers an appealing alternative to classical chemical synthesis, to yield cyclopeptides from linear building blocks that are simpler to synthesise. In this way, the reagents can combine into a dynamic covalent library (DCL). Furthermore, the formation of covalent bonds under thermodynamic equilibrium can be used together with the self-assembly process, as a possible route to discover new suprastructures, thanks to the self-templating effect. A set of Cys-Phe-Cys tripeptide stereoisomers was synthesised to study their ability to undergo DCC in alkaline water, through thiol/disulfide exchange. The stereoisomerism impacted the DCC leading to the formation of diverse cyclic oligomers, and it allowed to shed light on key differences between the homochiral, and the heterochiral DCLs. Cyclic oligomers were purified by reverse-phase HPLC, and characterised by NMR and single-crystal XRD. A particular stereoconfiguration enabled the DCL to self-assemble into a hydrogel composed of only one macrocycle at the thermodynamic equilibrium. The analysis on the supramolecular material by rheology, circular dichroism, and transmission electron microscopy revealed the presence of an anisotropic and elongated supramolecular structure, compatible with the presence of nanotubes whose diameter could correspond to the size of its macrocyclic building block. This compound had a similar conformation in solution at different pH values, but it was able to self-assemble into hydrogels only in the zwitterionic form. Overall, this study demonstrated how an appropriate choice of amino acid stereoconfiguration on simple tripeptides can be a strategic design tool towards diverse cyclic structures and, in specific cases, to yield DCLs that eventually converge into a main gelator product. This research work thus laid the basis to easily access a new class of self-assembling cyclopeptides that could find various applications in materials science, and beyond.

I peptidi sono una classe di biomolecole in grado di attrarre molto interesse in diversi campi scientifici, grazie alla loro biocompatibilità e alla possibilità di assemblare in superstrutture in acqua. In particolare, i ciclopeptidi composti da α-amino acidi sono stati intensivamente studiati per la loro abilità di assemblare in nanotubi supramolecolari, i quali sono tenuti assieme da interazioni di legame idrogeno. L’intensiva ricerca in questa area ha elucidato le regole del design del loro auto-assemblaggio in termini di stereoconfigurazione e composizione amino-acidica. Tuttavia, uno studio estensivo di questa classe di composti richiede uno sforzo sintetico non banale. La chimica dinamica covalente offre quindi un’alternativa interessante alla classica sintesi consentendo di produrre ciclopeptidi da mattoncini lineari molto più semplici da sintetizzare. In questo modo, i reagenti si combinano in una libreria dinamica covalente. Inoltre, la formazione di legami covalenti sotto equilibrio termodinamico in concomitanza all’autoassemblaggio possono essere usati come possibile strada per scoprire nuove suprastrutture, grazie all’effetto di autoreplicazione. Un set di stereoisomeri tripeptidici Cys-Phe-Cys sono stati sintetizzati per studiare la loro abilità di reagire covalentemente in acqua alcalina attraverso lo scambio tiolo/disolfuro. Lo stereoisomerismo ha influito sulla chimica dinamica portando alla formazione di diversi oligomeri ciclici e ha permesso di fare luce sulle differenze chiave tra la libreria omochirale e quelle eterochirali. Gli oligomeri ciclici sono stati purificati con la cromatografia ad alta prestazione a fase inversa e caratterizzati da RMN e diffrazione a raggi X. Una particolare stereoconfigurazione ha permesso alla libreria di auto assemblarsi in un idrogel composto da un solo macrociclo all’equilibrio termodinamico. L’analisi del materiale supramolecolare da reologia, dicroismo circolare e microscopia a trasmissione elettronica ha rivelato la presenza di una struttura anisotropica allungata compatibile con la presenza di nanotubi, i quali il diametro potrebbe corrispondere alla taglia del mattoncino macrociclico. Questo composto ha conformazioni simili a diversi pH ma è in grado di auto assemblarsi solo quando si trova in forma zwitterionica. Riassumendo, questo studio dimostra come una scelta appropriata della stereoconfigurazione degli amino acidi su semplici tripeptidi può essere strategica nel progettare diverse strutture cicliche e in casi specifici, ottenere librerie in grado di convergere verso un gel composto da un unico prodotto. Questa ricerca pone quindi le basi per accedere facilmente ad una nuova classe di ciclopeptidi auto assemblanti che possono trovare varie applicazioni nella scienza di materiali e oltre.