Halogenation turns on elastomericity in a minimalist peptide

Bioelastomers combine elastomeric features with the biopolymer-typical broad biodegradability. Protein and peptide-based bioelastomers are widely used in biomedical applications such as the production of scaffolds, artificial tissues and vessels in regenerative medicine and drug delivery components, as well as in the production of advanced polymers (thermoplastics, biocomposites) and in cosmetic formulations. However, in-use elastomeric polypeptides, both natural and synthetic, are either very long or combined with synthetic polymeric strands to exert the desired mechanical behaviour. In this context, self-assembling short chain peptides represent an unexplored opportunity in the production of novel bioelastomers, with the advantage of easier synthesis and purification methods, lower production costs and easy scalability. In supramolecular chemistry, halogen atoms are well-known substituents able to promote the self-assembly of amyloidogenic peptides and proteins. In this thesis work, halogenation has been selected as a strategy to promote self-assembly of a highly repetitive elastic-encoding protein sequence into a novel minimalist bioelastomer. Obtained nanostructures have been characterised with Dynamic Light Scattering (DLS), Circular Dichroism (CD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Cryogenic Transmission Electron Microscopy (Cryo-TEM), Fourier Transform Infrared (FT-IR) and X-ray analysis; moreover, non-toxicity of this new elastomer toward cells has been demonstrated. It was possible to assess that the halogenated oligopeptide matches both rigid and elastomeric intrinsic properties, while the wild-type version does not. The halogenation of at least one oligopeptide residue therefore allows to replicate the elastomeric properties of the entire protein, enhancing the spontaneous self-assembly of the peptide into macroscopic fibres, without the need to chemical cross-linking.

I bioelastomeri combinano proprietà elastomeriche con la biodegradabilità che caratterizza i biopolimeri. I bioelastomeri a base proteica o peptidica sono molto utilizzati in applicazioni biomediche per la produzione di scaffold, tessuti e vasi artificiali in medicina rigenerativa e componenti per drug delivery, così come nella realizzazione di polimeri avanzati e formulazioni destinate alla cosmetica. I polipeptidi elastomerici in uso, però, siano essi naturali o sintetici, sono spesso eccessivamente lunghi o combinati con catene polimeriche sintetiche per poter esibire il comportamento meccanico desiderato. In questo contesto, corte sequenze peptidiche in grado di auto-assemblarsi rappresentano un’opportunità poco sfruttata nella produzione di nuovi bioelastomeri, avendo il vantaggio di essere producibili tramite metodi di sintesi e purificazione molto semplici, poco costosi e facilmente scalabili. In chimica sopramolecolare, gli alogeni sono noti sostituenti nelle sequenze peptidiche e nelle proteine amiloidi in grado di promuoverne l’auto-assemblaggio in nanostrutture. In questo lavoro di tesi, l’alogenazione è stata utilizzata nella produzione di un nuovo bioelastomero come strategia per promuovere il self-assembly di una minima sequenza peptidica, altamente ripetitiva e codificante per le proprietà elastiche in una proteina elastomerica. Le nanostrutture ottenute sono state caratterizzate tramite diffusione dinamica della luce (DLS), microscopio a trasmissione elettronica semplice (TEM) e criogenico (Cryo-TEM), spettroscopia infrarossa (FTIR) e analisi a raggi X, e la tossicità dei campioni è stata esclusa tramite test cellulari. I risultati dimostrano che il peptide alogenato combina caratteristiche intrinseche sia di rigidità sia di elastomericità, mentre la sequenza nativa risulta prevalentemente priva di struttura. Dunque, l’alogenazione di almeno un amminoacido della sequenza peptidica permette di riprodurre le proprietà dell’intera proteina elastomerica, favorendo l’auto-assemblaggio spontaneo del peptide modificato in fibre macroscopiche, senza il bisogno di ricorrere a metodi di cross-linking.