Självmonterande peptid

Självmonterande peptider är en kategori av peptider som genomgår spontan sammansättning till ordnade nanostrukturer . Ursprungligen beskrevs 1993, dessa designerpeptider har väckt intresse inom nanoteknikområdet för deras potential för tillämpning inom områden som biomedicinsk nanoteknik, vävnadscellodling, molekylär elektronik och mer.

Effektivt självmonterande peptider fungerar som byggstenar för ett brett spektrum av material- och enhetstillämpningar. Kärnan i denna teknik är att replikera vad naturen gör: att använda molekylära igenkänningsprocesser för att bilda ordnade sammansättningar av byggstenar som är kapabla att utföra biokemiska aktiviteter.

Bakgrund

Peptider kan fungera som utmärkta byggstenar för ett brett spektrum av material eftersom de kan designas för att kombineras med en rad andra byggstenar som lipider , sockerarter, nukleinsyror , metalliska nanokristaller och så vidare; detta ger peptiderna en fördel jämfört med kolnanorör , som är ett annat populärt nanomaterial, eftersom kolstrukturen är oreaktiv. De uppvisar också egenskaper såsom biokompatibilitet och molekylär igenkänning; det senare är särskilt användbart eftersom det möjliggör specifik selektivitet för att bygga beställda nanostrukturer. Dessutom har peptider enastående motståndskraft mot extrema förhållanden med höga/låga temperaturer, rengöringsmedel och denatureringsmedel.

Peptiders förmåga att utföra självmontering gör att de kan användas som tillverkningsverktyg, vilket för närvarande är och kommer att fortsätta att växa som en grundläggande del av produktionen av nanomaterial. Självsammansättningen av peptider underlättas genom molekylernas strukturella och kemiska kompatibilitet med varandra, och de bildade strukturerna visar fysisk och kemisk stabilitet.

En stor fördel med att använda självsammansättande peptider för att bygga nanostrukturer i en bottom-up-strategi är att specifika egenskaper kan inkorporeras; peptiderna kan modifieras och funktionaliseras. Detta tillvägagångssätt innebär att de slutliga strukturerna byggs från självintegrering av små, enkla byggstenar. I huvudsak behövs detta tillvägagångssätt för struktur i nanoskala, eftersom top-down-metoden för att miniatyrisera enheten med hjälp av sofistikerad litografi och etsningstekniker har nått en fysisk gräns. Dessutom är top-down-metoden tillämpbar på huvudsakligen endast kiselbaserad teknik och kan inte användas för biologisk utveckling.

Peptidstrukturen är organiserad hierarkiskt i fyra nivåer. Den primära strukturen för en peptid är sekvensen av aminosyrorna på peptidkedjan. Aminosyror är monomermolekyler som bär en karboxyl- och en aminfunktionella grupper ; ett spektrum av andra kemiska grupper är bundna till olika aminosyror, såsom tioler och alkoholer . Detta underlättar det breda utbudet av kemiska interaktioner och därför molekylära erkännanden som peptider är kapabla till. För självmonterande designerpeptider används både naturliga och icke-naturliga aminosyror. De länkar samman på ett kontrollerat sätt för att bilda korta peptider som länkar till långa polypeptidkedjor.

Längs dessa kedjor är de alternerande amin (NH) och karbonyl (CO) grupperna mycket polära och de bildar lätt vätebindningar med varandra. Dessa vätebindningar binder samman peptidkedjor för att ge upphov till sekundära strukturer. Stabila sekundära strukturer inkluderar alfa-helixer och beta-ark. Instabila sekundära strukturer är slumpmässiga slingor, varv och spolar som bildas. Den sekundära strukturen som bildas är beroende av den primära strukturen; olika sekvenser av aminosyrorna uppvisar olika preferenser. Sekundära strukturer viks vanligtvis in med en mängd olika slingor och förvandlas till en tertiär struktur . Det som skiljer den sekundära strukturen från den tertiära strukturen är i första hand att den senare inkluderar icke-kovalenta interaktioner. Den kvartära strukturen är kombinationen av två eller flera olika polypeptidkedjor för att bilda vad som är känt som en proteinsubenhet.

Självsammansättningsprocessen av peptidkedjorna är dynamisk - återmontering sker upprepade gånger på ett självläkande sätt. Den typ av interaktioner som uppstår för att återsammansätta peptidstrukturer inkluderar van der Waals-krafter , jonbindningar , vätebindningar och hydrofoba krafter. Dessa krafter underlättar också den molekylära igenkänningsfunktionen som peptiderna omfattar. Dessa interaktioner fungerar på basis av preferenser beroende på energiegenskaper och specificitet.

En rad olika nanostrukturer kan bildas. Nanorör definieras som ett långsträckt nanoobjekt med ett bestämt inre hål. Nanofibriller är solida på insidan, till skillnad från ihåliga nanorör.

Bearbetning/Syntes

Peptidsyntes kan enkelt utföras med den etablerade metoden för fastfaskemi i gram eller kilogram kvantiteter. D-isomerkonformationen kan användas för peptidsyntes.

Nanostrukturer kan skapas genom att lösa upp dipeptider i 1,1,1,3,3, 3-hexafluoro-2-propanol vid 100 mg/ml och sedan späda den med vatten för en koncentration på mindre än 2 mg/ml. Flerväggiga nanorör med en diameter på 80–300 nm, gjorda av dipeptider från difenylalaninmotivet av Alzheimers β-amyloidpeptid tillverkas med denna metod. Om en tiol införs i difenylalaninet kan nanosfärer bildas istället; nanosfärer med 10–100 nm diameter från en difenylgalcinpeptid kan också tillverkas på detta sätt.

Karakterisering

Atomkraftsmikroskopi kan mäta mekaniska egenskaper hos nanorör. Skanna-elektron- och atomkraftsmikroskopi används för att undersöka Lego-peptidnanofiberstrukturer.

av dynamisk ljusspridning visar strukturer av ytaktiva peptider. Ytaktiva peptider har studerats med en snabbfrysnings-/djupetsningsmetod för beredning av prov som minimerar effekterna på strukturen. Provnanostrukturerna är snabbfrysta vid -196 °C och kan studeras tredimensionellt. Transmissionselektronmikroskopi användes .

Med hjälp av datorteknik kan en molekylär modell av peptider och deras interaktioner byggas och studeras.

Specifika tester kan utföras på vissa peptider; till exempel skulle ett fluorescerande emissionstest kunna appliceras på amyloidfibriller genom att använda färgämnet Thioflavin T som binder specifikt till peptiden och avger blå fluorescens när det exciteras.

Strukturera

Dipeptider

De enklaste peptidbyggstenarna är dipeptider. Nanorör bildade av dipeptider är de bredaste bland peptidnanorör. Ett exempel på en dipeptid som har studerats är en sådan peptid från difenylalaninmotivet av Alzheimers β-amyloidpeptid.

Dipeptider har också visat sig självbilda sig till hydrogeler, en annan form av nanostrukturer, när de kopplas till den skyddande gruppen, fluorenylmetyloxikarbonylklorid. Experiment med fokus på dipeptiden Fmoc-diphenylalaine har genomförts som har utforskat mekanismen i vilken Fmoc-difenylalanin själv sammansätts till hydrogeler via π-π sammankopplade β-ark. Fenylalanin har en aromatisk ring, en avgörande del av molekylen på grund av dess höga elektrondensitet, vilket gynnar självmontering och under självmontering staplas dessa ringar vilket gör att sammansättningen kan ske.

Lego-peptider / Joniska självkomplementära peptider

Dessa peptider är ungefär 5 nm stora och har 16 aminosyror. Klassen av Lego-peptider har de unika egenskaperna att ha två distinkta ytor som är antingen hydrofoba eller hydrofila, liknande stiften och hålen i legoklossar. Den hydrofoba sidan främjar självmontering i vatten och de hydrofila sidorna har ett regelbundet arrangemang av laddade aminosyrarester, vilket i sin tur ger ett definierat mönster av jonbindningar. Arrangemanget av resterna kan klassificeras enligt laddningsordningen; Modul I har ett laddningsmönster av "+-+-+-", modul II "++--++--" och modul III "+++---+++" och så vidare. Peptiderna självmonteras till nanofibrer som är cirka 10 nm långa i närvaro av alkaliska katjoner eller en tillsats av peptidlösning. Fibrerna bildar joniska interaktioner med varandra för att bilda schackbrädeliknande matriser, som utvecklas till en ställning [ kontrollera stavning ] hydrogel med en hög vattenhalt på större än 99,5-99,9% och porer med en diameter på 10-200 nm. Dessa hydrogeler tillåter neuritutväxt och kan därför användas som ställning för vävnadsteknik.

Ytaktiva peptider

Tensidliknande peptider som genomgår självmontering i vatten för att bilda nanorör och nanovesiklar har designats med naturliga lipider som vägledning. Denna klass av peptider har ett hydrofilt huvud (med en eller två laddade aminosyror som asparaginsyra och glutaminsyror, eller lysin eller histidinsyror) med en hydrofob svans (med 4 eller fler hydrofoba aminosyror som alanin, valin eller leucin). Peptidmonomererna är cirka 2-3 nm långa och består av sju eller åtta aminosyror; längden på peptiden kan justeras genom att tillsätta eller ta bort syror.

I vatten genomgår ytaktiva peptider självmontering för att bilda välordnade nanorör och nanovesiklar på 30–50 nm genom intermolekylära vätebindningar och packning av de hydrofoba svansarna mellan resterna på ett sätt som liknar micellbildning . Transmissionselektronmikroskopiundersökning på snabbfrysta prover av ytaktiva peptidstrukturer visade spiralformade nanorör med öppna ändar. Proverna visade också ett dynamiskt beteende och vissa vesiklar "knoppar" ut ur peptidnanorören.

Molekylär färg eller mattpeptider

Denna klass av peptider genomgår självmontering på en yta och bildar monolager bara några nanometer tjocka. Denna typ av molekylära "färg" eller "matta" peptider kan bilda cellmönster, interagera med eller fånga andra molekyler på ytan. Denna klass av peptider består av tre segment: huvudet är en liganddel som har funktionella grupper fästa för igenkänning av andra molekyler eller cellytreceptorer ; mittsegmentet är en "länkare" som gör att huvudet kan interagera på avstånd från ytan. Linkern kontrollerar också flexibiliteten och styvheten hos peptidstrukturen. På den andra änden av linkern fanns ett ytankare där en kemisk grupp på peptiden bildar en kovalent bindning med en viss yta. Denna klass av peptider har den unika egenskapen att de kan förändra sin molekylära struktur dramatiskt. Denna egenskap illustreras bäst med ett exempel. DAR16-IV-peptiden har 16 aminosyror och bildar en 5 nm β-arkstruktur vid omgivande temperaturer; en snabb förändring i strukturen sker vid hög temperatur eller en förändring i pH och en 2,5 nm α-helix bildas.

Cykliska peptider

Omfattande forskning har utförts på nanorör som bildats genom att stapla cykliska peptider med ett jämnt antal alternerande D- och L-aminosyror. Dessa nanorör är de smalaste som bildas av peptider. Staplingen sker genom intermolekylär vätebindning och slutprodukten är cylindriska strukturer med aminosyrasidokedjorna i peptiden som definierar egenskaperna hos den yttre ytan av röret och peptidryggraden bestämmer egenskaperna hos den inre ytan av röret. Polymerer kan också bindas kovalent till peptiderna i vilket fall ett polymerskal runt nanorör kan bildas. Genom att tillämpa peptiddesign kan den inre diametern, som är helt enhetlig, specificeras; de yttre ytegenskaperna kan också övervägas genom peptiddesign och därför kan dessa cykliska nanorör bildas i olika miljöer.

Fastighetsvärdering

– Diskussion om egenskaper (mekaniska, elektroniska, optiska, magnetiska...) hos det material du valt, ange vilka de största skillnaderna skulle vara om samma material inte var på nanoskala. Nanorör bildade av dipeptider är stabila under extrema förhållanden. Torra nanorör bryts inte ned förrän vid 200 °C; nanorör uppvisar exceptionell kemisk stabilitet vid ett pH-intervall och i närvaro av organiska lösningsmedel. Detta är en markant skillnad från naturliga biologiska system som ofta är instabila och känsliga för temperatur och de kemiska förhållandena.

Intrycknings atomkraftmikroskopi-experiment visade att torra nanorör på glimmer ger en genomsnittlig styvhet på 160 N/m och en hög Youngs modul på 19–27 GPa. Även om de är mindre styva än nanorör av kol och icke-kol , är dessa nanorör med dessa värden bland några av de styvare kända biologiska materialen. Mekanismerna som underlättar den mekaniska styvheten har föreslagits vara de intermolekylära vätebindningarna och stela aromatiska sidokedjorna på peptiderna. Ytegenskaper För nanorör, förutom de som tillverkas av cykliska peptider, har ytegenskaperna på den inre och yttre ytan ännu inte framgångsrikt modifierats oberoende av varandra. Det innebär därför en begränsning att de inre och yttre rörytorna är identiska.

Molekylär sammansättning sker oftast genom svaga icke-kovalenta bindningar som inkluderar: vätebindningar, jonbindningar, van der Waals-interaktioner och hydrofoba interaktioner .

Självmonterande peptider kontra kolnanorör

Kolnanorör (CNT) är en annan typ av nanomaterial som har väckt stort intresse för sin potential som byggstenar för bottom-up-applikationer. De har utmärkta mekaniska, elektriska och termiska egenskaper och kan tillverkas till ett brett spektrum av nanoskaliga diametrar, vilket gör dem attraktiva och lämpliga för utvecklingen av elektroniska och mekaniska enheter. De uppvisar metallliknande egenskaper och kan fungera som anmärkningsvärda ledare. Det finns dock flera områden där peptider har fördelar jämfört med CNT. Som nämnts i bakgrundsavsnittet är en fördel som peptider har jämfört med kol som byggstenar i nanostorlek att de har nästan obegränsad kemisk funktionalitet jämfört med de mycket kemiska interaktioner som kol kan utföra på grund av sin icke-reaktivitet. Dessutom uppvisar CNT stark hydrofobicitet vilket resulterar i en tendens att klumpa sig i vattenlösningar och därför har begränsad löslighet; deras elektriska egenskaper påverkas också av fukt och närvaron av syre, N 2 O och NH 3 . Det är också svårt att producera CNT med enhetliga egenskaper och detta innebär allvarliga nackdelar eftersom reproducerbarheten av exakta strukturella egenskaper för kommersiella ändamål är en viktig fråga. Slutligen är CNT:er dyra med priser i intervallet hundratals dollar per gram, vilket gör de flesta tillämpningar av dem kommersiellt olämpliga.

Nuvarande och framtida applikationer

Attraktionskraften hos designerpeptider är att de är strukturellt enkla och det är okomplicerat och prisvärt att producera dem i stor skala.

Cellodling

Peptidställningar bildade av LEGO-peptider har använts flitigt för 3D-cellodling eftersom de nära liknar porositeten och strukturen hos extracellulära matriser. Dessa byggnadsställningar har också använts vid cellproliferation och differentiering till önskade celltyper. Experiment med råttneuroner visade LEGO-peptiders användbarhet i cellodling. Råttneuroner som var fästa vid peptiderna projicerade funktionella axoner som följde konturen enligt peptidställningarna.

Biomedicinska tillämpningar

Genom att undersöka beteendet hos de molekylära "switch"-peptiderna kan mer information om interaktioner mellan proteiner och mer signifikant patogenesen av vissa proteinkonformationssjukdomar erhållas. Dessa sjukdomar inkluderar skrapie, kuru, Huntingtons, Parkinsons och Alzheimers sjukdomar. Självsammansättande och ytaktiva peptider kan användas som målinriktade leveranssystem för gener, läkemedel och RNAi. Forskning har redan visat att katjoniska dipeptider NH 2 -Phe-Phe-NH 2 nanovesiklar, som är cirka 100 nm i diameter, kan absorberas in i celler genom endocytos och leverera oligonukleotider in i cellen; detta är ett exempel på hur peptidnanostruktur kan användas vid gener och läkemedelsleverans . Det är också tänkt att vattenlösliga molekyler och biologiska molekyler skulle kunna levereras till celler på detta sätt. Självmonterande LEGO-peptider kan bilda biologiskt kompatibla ställningar för vävnadsreparation och konstruktion. detta område har stor potential eftersom ett stort antal sjukdomar inte kan botas med läkemedel med små molekyler; en cellbaserad terapimetod behövs och peptider kan potentiellt spela en stor roll i detta. Cykliska peptidnanorör bildade från självmontering kan fungera som jonkanaler , som bildar porer genom cellmembranet och orsakar cellulär osmotisk kollaps. Peptid kan utformas för att företrädesvis bildas på bakteriella cellmembran och sålunda kan dessa rör fungera som antibakteriella och cytotoxinmedel.

Molekylära elektroniktillämpningar

Molekylära "switch"-peptider kan göras till nanoswitchar när en elektronisk komponent är inkorporerad. Metallnanokristaller kan kopplas kovalent till peptiderna för att göra dem elektroniskt känsliga; forskning pågår för närvarande om hur man kan utveckla elektroniskt styrda molekyler och molekylära "maskiner" med hjälp av dessa molekylära "switchar". Peptidnanofibrer kan också användas som tillväxtmallar för en rad oorganiska material som silver, guld, platina, kobolt, nickel och olika halvledande material. Elektroner som överför aromatiska delar kan också fästas till peptidernas sidokedjor för att bilda ledande nanostrukturer som kan överföra elektroner i en viss riktning. Metall- och halvledarbindande peptider har använts för tillverkning av nanotrådar. Peptider självmonteras till ihåliga nanorör för att fungera som gjutformar; metalljoner som migrerar inuti röret genomgår reduktion till metallisk form. Peptiden "mögel" kan sedan förstöras enzymatiskt för att producera metall nanotrådar med cirka 20 nm diameter. Detta har gjorts för att tillverka nanotrådar av guld och denna applikation är särskilt betydelsefull i ljuset av att nanotrådar i denna skala inte kan tillverkas med litografi. Forskare har också framgångsrikt utvecklat nanokabel i flera lager med en nanotråd av silverkärna, ett peptidisoleringsskikt och ett ytterskikt i guld. Detta görs genom att reducera AgNO 3 inuti nanorör, och sedan binda ett lager av tiol innehållande peptider med guldpartiklar fästa. Detta skikt fungerar som ett kärnbildningsställe under nästa steg där processen med strömlösa avsättningsskikt lägger en beläggning av guld på nanorören för att bilda metall-isolator-metall trilager koaxial nanokabel. Peptid nanorör kan producera nanotrådar av enhetlig storlek och detta är särskilt användbart i nanoelektriska tillämpningar eftersom elektriska och magnetiska egenskaper är känsliga för storlek. Nanotubes exceptionella mekaniska styrka och stabilitet gör dem till utmärkta material för applicering inom detta område. Nanorör har också använts i utvecklingen av elektrokemiska bioavkänningsplattformar och har visat sig ha stor potential. Dipeptidnanorör avsatta på grafitelektroder förbättrade elektrodkänsligheten; tiolmodifierade nanorör avsatta på guld med en beläggning av enzymer förbättrade känsligheten och reproducerbarheten för detektering av glukos och etanol, samt en förkortad detektionstid, stor strömtäthet och förbättrad stabilitet. Nanorör har också framgångsrikt belagts med proteiner, nanokristaller och metalloporfyrin genom vätebindning och dessa belagda rör har stor potential inom områdena kemiska sensorer. Designade peptider med en känd struktur som skulle självmontera till en vanlig tillväxtmall skulle möjliggöra självmontering av elektroniska kretsar och enheter i nanoskala. Men en fråga som ännu inte har lösts är möjligheten att kontrollera positioneringen av nanostrukturerna. Denna positionering i förhållande till substrat, till varandra och till andra funktionella komponenter är avgörande och även om framsteg har gjorts på detta område måste mer arbete slutföras innan denna kontroll kan etableras.

Diverse applikationer

Molekylära matt-/färgpeptider kan användas i ett spektrum av olika industrier. De kan användas som "nano-organisatorer" för icke-biologiska material, eller kan användas för att studera cell-cell-kommunikation och beteende. Det har också visat sig att de katalytiska förmågorna hos lipasenzymet förbättras avsevärt när det är inkapslat i peptidnanorör. Efter inkubation i nanorör i en vecka förbättras enzymets katalytiska aktiviteter med 33 % jämfört med fristående lipaser vid rumstemperatur ; Jämförelse vid 65 °C stiger förbättringen till 70%. Det föreslås att den förbättrade förmågan beror på en konformationsförändring till en enzymatiskt aktiv struktur.

Begränsningar

Även om välordnade nanostrukturer redan framgångsrikt har formats från självmonterande peptider, kommer deras potential inte att uppfyllas fullt ut förrän användbar funktionalitet är införlivad i strukturerna.

Dessutom är de flesta av de bildade peptidstrukturerna i 1 eller 2-D, medan de flesta biologiska strukturer i naturen är i 3D. Kritik har framförts mot bakgrund av att det saknas teoretisk kunskap om peptiders självsamlande beteenden. Denna kunskap kan visa sig vara mycket användbar för att underlätta rationella konstruktioner och exakt kontroll av peptidsammansättningarna. Slutligen, även om ett omfattande arbete utförs på att utveckla självmonterande peptidrelaterade applikationer, har frågor som kommersiell lönsamhet och bearbetbarhet inte ägnats samma uppmärksamhet. Ändå är det avgörande att dessa frågor bedöms om ansökningarna skulle kunna förverkligas.

Vidare läsning

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Self-assembling_peptide&oldid=1128520904 "