Halocarbon - biomolecule interactions: implications in medicine and nanotechnology

Halogenated compounds, produced by a number and diverse range of organisms, are widespread in Nature where over 4000 halometabolites have been identified to date. The unique properties of halogen atoms including their high electronegativity, size, omniphobicity/lipophilicity and their potential for electrostatic interactions can greatly affect the properties of compounds and their reactivities. A key electrostatic interaction unique to the halogen atoms is the halogen bonding. This strong, specific, and directional interaction is able to direct the formation of well-defined supramolecular architectures and has more recently its role in fundamental biological processes has been highlighted. This thesis highlights the possible role of halogen atoms in different biological set-ups: the biomolecular recognition of halogenated pollutants, the formation of amyloid fibrils upon oxidative stress halogenation and the crystal structure of an amyloid fragment derived from human Calcitonin (hCT). Halogen bonds play a key role in the biomolecular recognition of thyroid hormones where thyroxine forms halogen bonds with transthyretin and RNA sequences. Structural similarities between thyroid hormones, polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) and halogenated bisphenols, two classes of flame retardants, strongly suggest similar receptor binding and mechanisms of action. The first chapter of this thesis describes the investigation of the molecular recognition patterns of several halogenated pollutants by X-ray crystallography. Tetrachlorobisphenol A, tetrabromobisphenol A and tetraiodobisphenol A were successfully co-crystallised with various Lewis bases, as peptide model compounds, and their crystal packing and intermolecular interactions studied. The cooperation of hydrogen and halogen bonding allows the formation of supramolecular motifs in these co-crystals, corroborating the hypothesis that halogen bonding plays a pivotal role in the potential behaviour of these molecules as endocrine disruptors. The second part of this thesis describes the impact of halogenation at the para position of the phenylalanine benzene rings of DFNKF, a well-studied amyloidogenic peptide derived from the hormone human calcitonin, hCT. It was found that halogenation greatly increases the rate of fibril formation, suggesting a potential role of halogen bonding in the self-assembly process of these halogenated derivatives. The results obtained in this part of the thesis whilst potentially giving access to new and tunable peptide materials may also shed light on the biological context of peptide halogenation, carried out in vivo by oxidative and halogenative stress mechanisms, and the potential effect of halogenation on peptide self-assembly. Since iodination can aid in the phase determination of X-ray crystallography data the crystallization of all halogenated peptides was attempted. It is well known that obtaining atomic resolution structures of amyloidogenic peptides by crystallization is extremely difficult due to their propensity to self-assemble to fibrils. High quality crystals were only obtained for DFNKF(I) and its single crystal structure was solved successfully. DFNKF(I) crystallizes in a parallel β-sheet structure showing the well-known cross-β spine, which is typical of amyloids. The obtained crystal structure of DFNKF(I) is the first reported for a DFNKF derivative, and may contribute to understand the amyloidogenic behaviour of this important core-sequence.

I composti alogenati, prodotti da numerosi e diversi tipi di organismi, sono ampiamente diffusi in Natura, dove attualmente sono stati identificati oltre 4000 metaboliti alogenati. Le proprietà peculiari degli atomi di alogeno comprendono la loro elevata elettronegatività, dimensione, lipofilia e la loro abilità nel formare interazioni elettrostatiche. Un’interazione elettrostatica peculiare degli atomi di alogeno è il legame ad alogeno. Questa interazione specifica e direzionale è in grado di dirigere la formazione di architetture supramolecolari e recentemente è stato enfatizzato il suo ruolo in processi biologici. Questa tesi mette in evidenza il possibile ruolo degli atomi di alogeno in diversi processi biologici: il riconoscimento biomolecolare di inquinanti alogenati, la formazione di fibrille amiloidi in seguito a stress alogenativo e la struttura cristallina di un frammento amiloide derivato dalla calcitonina umana. Il legame ad alogeno svolge un ruolo fondamentale nel riconoscimento biomolecolare degli ormoni tiroidei. Infatti, la tiroxina forma legami ad alogeno con la transtiretina e con diverse sequenze di RNA. Le somiglianze strutturali tra gli ormoni tiroidei, eteri di difenile polibromurato e bisfenoli alogenati (due classi di ritardanti di fiamma) suggeriscono un similare meccanismo di azione e legame al recettore. Il primo capitolo di questa tesi è focalizzato sullo studio del pattern di riconoscimento molecolare di diversi inquinanti alogenati sfruttando la diffrattomettria a raggi X. Il tetraclorobisfenolo A, il tetrabromobisfenolo A e il tetraiodobisfenolo A sono stati con successo co-cristallizzati con diverse basi di Lewis, usate come modelli peptidici, e sono stati studiati sia il loro impaccamento cristallino che le interazioni intermolecolari. La cooperazione tra legame ad idrogeno e ad alogeno permette la formazione di motivi supramolecolari in questi co-cristalli, corroborando l’ipotesi che il legame ad alogeno svolge un ruolo chiave nel comportamento di queste molecole come distruttori endocrini. La seconda parte di questa tesi descrive l'impatto dell’alogenazione in posizione para degli anelli benzenici delle fenilalanine presenti nel pentapeptide DFNKF, un peptide amiloidogenico derivato dalla calcitonina umana. E’ stato dimostrato come l’ alogenazione aumenta notevolmente la velocità di formazione delle fibrille, suggerendo un ruolo potenziale del legame ad alogeno nel processo di auto-assemblaggio di questi derivati alogenati. I risultati ottenuti in questa parte della tesi da un lato aprono potenzialmente la strada allo sviluppo di nuovi materiali peptidici, dall’altro possono anche chiarire il contesto biologico dell’alogenazione peptidica, che avviene in vivo attraverso meccanismi di stress ossidativo e alogenativo. Poiché la iodurazione può aiutare nella determinazione della fase dei dati nella cristallografia a raggi X, si è provato a cristallizzare i peptidi alogenati oggetto di studio. È noto che ottenere strutture a risoluzione atomica di peptidi amiloidogenici è estremamente difficile a causa della loro propensione a formare fibrille. Cristalli di alta qualità sono stati ottenuti solo per DFNKF(I) e la sua struttura atomica è stata risolta con successo. La struttura di DFNKF(I) è caratterizzata dalla presenza di β-sheet paralleli che si arrangiano a formare la tipica struttura delle fibrille amiloidi detta “cross-β spine”. La struttura cristallina di DFNKF(I) è il primo esempio riportato per un derivato del pentapeptide DFNKF e può contribuire a comprendere meglio il comportamento di questo importante sequenza amiloidogenica.