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Mariano Venanzivenanzi@uniroma2.it
Scuola estiva Borsisti PLS Perugia 26 agosto-1 settembre 2007Scuola estiva Borsisti PLS Perugia 26 agosto-1 settembre 2007
Centro di Nanoscienze, Nanotecnologie e Strumentazione
MimickingMimicking 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. LoweIn ‘Nanobiotechnology: the fabrication and application of chemical and biological nanostructures’
1. Le attuali metodologie di sintesi peptidica permettono di sintetizzare facilmente una sequenza qualsiasi tra 5 e 50 amminoacidi.
2. Peptidi possono essere progettati in modo da assumere specifiche strutture secondarie (-eliche, -sheets, -hairpins,..)
3. Peptidi possono essere progettati in modo da avere specifiche proprietà di autoassemblaggio (regioni idrofiliche e idrofobiche)
4. Peptidi sono oggetti intrinsecamente chirali, che danno luogo a strutture supramolecolari chirali!
5. Peptidi possono essere facilmente funzionalizzati con gruppi intelligenti (adding smartness)
L’ -elica è stabilizzata da favorevoli interazioni dipolari.
Tutti i legami peptidici puntano nella stessa direzione, dando a luogo a favorevoli
interazioni dipolo-dipolo.
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
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)
-elica
S. H. Gellman, Accounts of Chemical Research 1998, 31, 173.
‘Foldamers are molecules that have well-defined and
predictable folding properties in solution.’
1. Sintetizzare building-bloks molecolari funzionalizzati
2. Costruire per autoassemblaggio strutture nanometriche a 2- o 3- dimensioni sensibili a stimoli esterni
3. Deposizione ordinata in architetture molecolari indirizzabili (Patterning)
• forma complementareforma complementare
• interazioni deboli, non covalentiinterazioni deboli, non covalenti
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.
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.
Peptidi ciclici in configurazione alternata D,L possono assemblarsi in strutture nanometriche cilindriche capaci di permeare membrane biologiche.
1. Una testa funzionalizzata per il riconoscimento di cellule o di biomolecole;
2. uno spaziatore per la separazione fisica dalla superficie;3. una coda funzionalizzata per l’attacco covalente sulla
superficie.
K. A. Williams, P. T. M. Veenhuizen, B. G. de la Torre, R. Eritja and C. Dekker Nature 420, 761(2002)
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].
bb: 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
aa: 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.
hexc Elettroni Elettroni or energiaor energia
AD
hem
Donore
D*
Dem
Accettore
(D+····A-)Stato a trasferimento di carica
hhemem
D A
e-habs
D A
habsInputchimico
Elettronica Molecolare: unità logica di AND
Off
On
InputInput
otticoottico
InputInput
chimicochimico
OutputOutput
AndAnd 0 0 0
1 0 0
0 1 0
1 1 1
Inputottico
Eliche peptidiche controllano la direzione del trasferimento elettronico
A- D+
A-D+
+ = 40 D
-
in 3in 31010-helix:-helix: kk11 ≈ 30 k ≈ 30 k22 in random coil:in random coil: kk11 ≈ k ≈ k22
M.A. Fox, JACS (1997)
S
S
O
Aib-Aib-Aib-Aib-Trp-Aib-OtBuAu
Ha in sequenza un amminoacido fluorescente (TrpTrp) e un gruppo disolfuro per legarlo covalentemente alla superficie d’oro (acido lipoicoacido lipoico)
Il peptide assume una rigida struttura in elica 310
StripesStripes
Buche Buche di diametro didi diametro di 20-50 Å sono la struttura predominante.
La profondità delle buche (2.4 Å)corrisponde allo step monoatomico di Au(111)
fasci peptidici regolarmente depositati sulla superficie (stripesstripes).Ogni filare è separato di 7 nm.
Buche (holes)Buche (holes)
Il SAM peptidico inibisce la scarica agli elettrodi!Il SAM peptidico inibisce la scarica agli elettrodi!
Elettrodo nudoElettrodo nudo
SAM peptidicoSAM peptidico
SAM di undecatioloSAM di undecatiolo
La risposta corrente vs. potenziale applicato dipende dalle interazioni tra il SAM peptidico e la superficie elettrodica.
SAM peptidico
SAM di undecatiolo
Uno switch molecolare Uno switch molecolare fotoattivato!fotoattivato!
Emanuela Gatto, Ph.D. ThesisPremio Semerano 2007