Designer-peptoïden bootsen de helices van de natuur na

De natuur is gevuld met buitengewoon precieze moleculaire vormen die als gegoten zitten. Eiwitten kunnen zich bijvoorbeeld in een grote verscheidenheid aan goed gedefinieerde vormen assembleren die hen hun functie verlenen.

“Afhankelijk van hun vorm kunnen eiwitten samengaan met andere eiwitten om functies uit te voeren of slecht te functioneren door samen te klonteren, zoals waargenomen bij de ziekte van Alzheimer”, zegt materiaalwetenschapper Chun-Long Chen.

“Het begrijpen van hoe ze samenkomen en de oorsprong van hun specifieke vorm kan van belang zijn voor verschillende toepassingen, zoals de toediening van medicijnen, diagnostiek en therapieën.”

Uit onderzoeken gepubliceerd in Natuurcommunicatie En Angewandte Chemieonderzochten Chen en zijn PNNL-collega's hoe je deze vormen kunt beheersen door op peptoïden gebaseerde materialen te creëren, geïnspireerd door de natuur.

Hij gebruikt deze geavanceerde eiwitachtige moleculen om stoffen te ontwerpen voor energietoepassingen, zoals het oogsten van licht of het afbreken van houtachtige lignine. In het afgelopen decennium hebben Chen en zijn team van het Pacific Northwest National Laboratory een platform ontwikkeld voor het creëren van designer-peptoïde-gebaseerde functionele materialen en de karakterisering van hun gedrag.

“Peptoïden hebben het potentieel om in verschillende toepassingen te worden gebruikt”, zegt Chen. “Gebaseerd op hun samengestelde vormen en andere eigenschappen is het mogelijk om peptoïden te ontwerpen als medicijnafgiftemiddelen of kunstmatige enzymen.”

Als een hand in een handschoen

Chen en zijn collega's werkten samen met de Universiteit van Washington, de Universiteit van Chicago en het Georgia Institute of Technology om peptoïdenassemblages met precieze vormen te ontwerpen. Hun experiment omvat het sturen van de “handigheid” van de helix. Helices kunnen “linkshandig” of “rechtshandig” zijn, afhankelijk van de richting waarin ze spiraalvormig zijn. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

“Handigheid is uiterst belangrijk bij het ontwerpen van gespecialiseerde moleculen, zoals medicijnen”, zegt Chen. “Het begrijpen en beheersen van deze handigheid kan inzicht verschaffen in processen zoals de assemblage van eiwitten en kan waardevol zijn bij het vinden van behandelingen voor ziekten die verband houden met eiwitvouwing, zoals de ziekte van Alzheimer.”

Voor dit experiment kozen Chen en zijn team ervoor om kurkentrekkerachtige spiraalvormige structuren na te streven vanwege hun biologische belang. In feite bevatten de meeste eiwitten deze fundamentele spiraalvormige structuren.

Eerdere peptoïdesynthesemethoden zouden een mix van links- en rechtshandige helices opleveren. In de natuur moeten eiwitten zich in een specifieke conformatie bevinden om hun functies te kunnen vervullen; de meeste zijn linkshandig.

“Andere groepen vóór ons waren in staat peptoïde nanohelices te synthetiseren, maar het nauwkeurig beheersen van hun vormen en handigheid bleef een uitdaging”, zei Chen. “Het kunnen beheersen van hun vormen zou niet alleen de deur openen voor het ontwerpen van toekomstige materialen, het zou ook inzicht verschaffen in biologische processen waarbij deze structuren betrokken zijn.”

Met behulp van een combinatie van experimentele en computationele technieken ontdekten Chen en zijn team een ​​manier om de handigheid van een peptoïdehelix te controleren. Net als eiwitten worden peptoïden gemaakt uit aminozuurachtige bouwstenen.

Elke bouwsteen heeft dezelfde 'ruggengraat'-atomen die peptoïdebindingen vormen, maar elke afzonderlijke schakel in de keten kan enorm variëren. De groep van Chen ontdekte dat ze de vorm van de helix konden controleren door de volgorde van de peptoïde zijketens te manipuleren.

Een nieuwe dimensie toevoegen aan peptoïdonderzoek

Om verder te onderzoeken hoe peptoïden zich kunnen assembleren, werkte Chen samen met collega's van de Universiteit van Washington, Harvard University, Binghamton University en Zhejiang Sci-Tech University. Voortbouwend op hun eerdere tweedimensionale onderzoeken naar peptoïdestructuren, kon het team met succes een driedimensionale spiraalvormige nanostructuur ontwikkelen.

Ze merkten op dat de opname van speciale ‘functionele groepen’ atomen in hun peptoïdesequenties hen in staat stelde structuren te creëren met speciale functies – vergelijkbaar met eiwitassemblages. Hun werk werd gepubliceerd in Angewandte Chemie.

“Hoewel dit een fundamentele studie is, geeft dit onderzoek ons ​​aanvullende inzichten in hoe we betere, preciezere materialen kunnen creëren, zoals die in de natuur voorkomen, voor specifieke toepassingen”, zegt Chen. “Peptoïden hebben het potentieel om in een verscheidenheid aan toepassingen te worden gebruikt. Op basis van hun structuur en andere eigenschappen is het mogelijk om peptoïden te ontwerpen als medicijnafgiftemiddelen of systemen voor het verzamelen van kunstlicht.”

In de toekomst hopen Chen en zijn team een ​​breed scala aan op peptoïden gebaseerde nanomaterialen voor toepassingen te creëren. Het beheersen van de peptoïdevorm, zoals uiteengezet in hun onderzoekspapers, is slechts de eerste stap.