Halogenated amyloidogenic peptides : from self-assembly to hybrid materials

Amyloid fibrils are proteinaceous extracellular deposits whose bioaccumulation is related to several neurodegenerative pathologies like Alzheimer’s disease. Distinctive features of such constructs are a fibrillar morphology, enhanced green birefringence along fibers axis when stained with Congo Red and a characteristic cross-beta pattern when analysed by X-ray diffraction. Owing to the complex structure of proteins naturally self-assembling into amyloid fibrils, production on a large scale suffers from inherent drawbacks such as the necessity of having an environment suitable to work with biological tissues and difficulties in scaling-up. In the last years, however, amyloidogenic peptides have emerged as minimalistic models that retain all the fibrillogenic behaviour and features displayed by full-length proteins, with the advantage of a simpler and more tuneable chemical structure. Among the possible peptide mutations leveraged to regulate their self-assembly, halogenation of aromatic residues has been demonstrated to be a simple yet powerful single point modification to affect intermolecular interactions, enhancing self-assembly and promoting the emergence of new functionalities. In the first part of this thesis, we investigated the impact of iodination on the aliphatic residue of a tailor-made pentapeptide derived from the amyloidogenic sequence DFNKF. By designing and synthesizing the custom bis-iodinated aliphatic amino acid we demonstrated the ability of iodine atoms to promote inter- and intramolecular interactions that favoured its crystallization. Further, this study demonstrated that iodine-mediated interactions drove the packing in the crystal and the fibrillar state, stabilizing the same polymorph in both conditions and, thus, allowing to infer morphological and structural features of fibrils from crystal structure description. The possibility to easily let new functions emerge, coupled with their remarkable properties, e.g. mechanical strength, biocompatibility and tuneability, has recently attracted great attention to the use of amyloidogenic peptides for new-generation materials. Thus, we investigated the use of halogenated amyloidogenic peptides to endow hybrid systems with unprecedent properties. In this direction, we adopted a well-known iodinated fibrillogenic peptide, namely DF(I)NKF, to design hybrid gold-peptide templates to drive the out-of-equilibrium self-assembly of branched nanostructures with a precisely defined 3D morphology. The programmable spatiotemporal control of optical and morphological features achieved was proved to depend on peptide presence, which allowed to achieve transient structures with unprecedent morphological precision. Lastly, we combined amyloidogenic peptide with nanocellulose, one of the most popular and promising materials of the 21st century owing to its biodegradability, mechanical properties and morphology. In most of its applications, however, nanocellulose is chemically functionalized to improve dispersibility, handling and stability, making unfunctionalized nanocellulose less utilised. Starting from the lack of composite systems involving the addition of naturally amyloidogenic sequences to unfunctionalized fibrillar nanocellulose (CNF) matrices, we investigated the effect of small halogenated pentapeptides derived from the DFNKF sequence on unfunctionalized CNF suspensions, in both the wet and dry states.

Le fibrille amiloidi sono depositi extracellulari proteici il cui bioaccumulo è legato a diverse patologie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer. Le caratteristiche distintive di questi costrutti sono una morfologia fibrillare, una maggiore birifrangenza verde lungo l'asse delle fibre quando vengono marcate con Congo Red e un caratteristico pattern di diffrazione ai raggi X detto “cross-beta”. A causa della complessa struttura delle proteine che si autoassemblano naturalmente in fibrille amiloidi, la produzione su larga scala soffre di inconvenienti intrinseci, come la necessità di avere un ambiente adatto a lavorare con i tessuti biologici e difficoltà di scalabilità. Negli ultimi anni, tuttavia, i peptidi amiloidogenici sono emersi come modelli minimalisti che mantengono tutti i comportamenti e le caratteristiche fibrillogeniche mostrate dalle proteine complete, con il vantaggio di una struttura chimica più semplice e regolabile. Tra le possibili modifiche sfruttate per regolarne l'autoassemblaggio, è stato dimostrato che l'alogenazione dei residui aromatici è una semplice ma potente modifica puntuale per influenzare le interazioni intermolecolari, migliorando l'autoassemblaggio e promuovendo l'emergere di nuove funzionalità. Nella prima parte di questa tesi, abbiamo studiato l'impatto della iodurazione sui residui alifatici di un pentapeptide sintetico derivato dalla sequenza amiloidogenica DFNKF. Progettando e sintetizzando un amminoacido alifatico bis-iodato, abbiamo dimostrato la capacità degli atomi di iodio di promuovere interazioni inter- e intramolecolari che ne hanno favorito la cristallizzazione del pentapeptide in cui è stato inserito. Inoltre, questo studio ha dimostrato che le interazioni mediate dallo iodio guidano l’impaccamento nello stato cristallino e fibrillare, stabilizzando lo stesso polimorfo in entrambe le condizioni e, quindi, permettendo di dedurre le caratteristiche morfologiche e strutturali delle fibrille dalla descrizione della struttura cristallina. La possibilità di far emergere facilmente nuove funzioni, unita alle loro notevoli proprietà, come la resistenza meccanica, la biocompatibilità e la facilità di modifica, ha recentemente attirato una grande attenzione sull'uso dei peptidi amiloidogenici per materiali di nuova generazione. Abbiamo quindi studiato l'uso di peptidi amiloidogenici alogenati per dotare i sistemi ibridi di proprietà inedite. In questa direzione, abbiamo adottato un noto peptide fibrillogenico iodurato, DF(I)NKF, per progettare strutture ibride oro-peptide per guidare l'autoassemblaggio fuori equilibrio di nanostrutture ramificate con una precisa morfologia 3D. Il controllo spazio-temporale delle caratteristiche ottiche e morfologiche ottenute è risultato dipendente dalla presenza del peptide, che ha permesso di ottenere strutture transitorie con una precisione morfologica senza precedenti. Infine, abbiamo combinato il peptide amiloidogenico con la nanocellulosa, uno dei materiali più popolari e promettenti del XXI secolo grazie alla sua biodegradabilità, proprietà meccaniche e morfologia. Nella maggior parte delle sue applicazioni, tuttavia, la nanocellulosa viene funzionalizzata chimicamente per migliorarne la disperdibilità, la manipolazione e la stabilità, rendendo meno utilizzata la nanocellulosa non funzionalizzata. Partendo dalla mancanza di sistemi compositi che prevedano l'aggiunta di sequenze naturalmente amiloidogeniche a matrici di nanocellulosa fibrillare (CNF) non funzionalizzata, abbiamo studiato l'effetto di piccoli pentapeptidi alogenati derivati dalla sequenza DFNKF su sospensioni di CNF non funzionalizzate, sia allo stato umido che secco.