Scuola estiva Borsisti PLS Perugia 26 agosto-1 settembre 2007
Mariano Venanzi
[email protected]
Centro di Nanoscienze,
Nanotecnologie e Strumentazione
Motori molecolari
Conversione di energia luminosa
Catalizzatori chimici
Canali ionici
Mimicking 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. Lowe
In ‘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
- sheet
-elica
Legame a Idrogeno
ii+4
13 atomi per ciclo
3.5 residui per spira
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
-elica
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)
‘Foldamers are molecules that
have well-defined and
predictable folding properties
in solution.’
S. H. Gellman, Accounts of Chemical Research 1998, 31, 173.
Amminoacidi disostituiti C,
Amminoacidi disostituiti C,
Elica 310
-elica
Eth 
1
2  R
1  2  
3k  R0 
6
R = interchromophoric distance
Eexp

 1
0
 peptidi
 peptidi
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 complementare
• interazioni 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.
a: 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.
b: 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
hexc
Elettroni or energia
D
A
hem
D*
(D+····A-)
Dem
Donore
Stato a trasferimento di carica
Accettore
Elettronica Molecolare: unità logica di AND
habs
e-
Input
ottico
D
A
Input
chimico
habs
D
A
Off
hem
And
Input
ottico
Input
chimico
Output
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
On
Eliche peptidiche generano un campo elettrostatico direzionale
(3.5 D per residuo)!
Eliche peptidiche controllano la direzione del trasferimento
elettronico
 = 40 D
+
A-
D+
in 310-helix: k1 ≈ 30 k2
M.A. Fox, JACS (1997)
-
D+
Ain random coil: k1 ≈ k2
Il peptide assume una rigida struttura in elica 310
S
Au
S
Aib-Aib-Aib-Aib-Trp-Aib-OtBu
O
Ha in sequenza un amminoacido fluorescente (Trp) e un gruppo disolfuro per
legarlo covalentemente alla superficie d’oro (acido lipoico)
Buche di diametro di 20-50 Å
sono la struttura predominante.
La profondità delle buche (2.4 Å)
corrisponde allo step monoatomico
di Au(111)
Buche (holes)
 fasci peptidici regolarmente
depositati sulla superficie (stripes).
Ogni filare è separato di 7 nm.
Stripes
Il SAM peptidico inibisce la scarica agli elettrodi!
Elettrodo nudo
SAM peptidico
SAM 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 peptidico
misto
SAM a singolo peptide
Uno switch molecolare
fotoattivato!
Emanuela Gatto, Ph.D. Thesis
Premio 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
Perspective, VCH, Weinheim 1995
and