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

Motori molecolari Conversione di energia luminosa

Canali ionici

Catalizzatori chimici

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’

• E’ un filamento di amminoacidi

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)

- elica- elica - sheet- sheet

13 atomi per ciclo3.5 residui per spira

-elica

Legame a Idrogenoii+4

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.’

Amminoacidi disostituiti C,

Elica 310

-elica

Amminoacidi disostituiti C,

R = interchromophoric distance

0exp 1

E

6

023

21

1

RR

k

Eth

peptidipeptidi

peptidipeptidi

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)

Costruzione di strutture terziarie

• 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.

• vettori terapeutici

• rilascio di farmaci

• sensori di proteine

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]. 

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

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

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

Elettrodo nudo

SAM a singolo peptide

SAM peptidicoSAM peptidicomistomisto

Uno switch molecolare Uno switch molecolare fotoattivato!fotoattivato!

Emanuela Gatto, Ph.D. ThesisPremio 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