Mariano Venanzivenanzi@uniroma2.itScuola estiva Borsisti PLS Perugia 26 agosto-1 settembre 2007Centro di Nanoscienze, Nanotecnologie e Strumentazione

Motori molecolariConversione di energia luminosaCanali ioniciCatalizzatori chimici

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. LoweIn Nanobiotechnology: the fabrication and application of chemical and biological nanostructures

E un filamento di amminoacidi

Le attuali metodologie di sintesi peptidica permettono di sintetizzare facilmente una sequenza qualsiasi tra 5 e 50 amminoacidi.

Peptidi possono essere progettati in modo da assumere specifiche strutture secondarie (-eliche, -sheets, -hairpins,..)

Peptidi possono essere progettati in modo da avere specifiche propriet di autoassemblaggio (regioni idrofiliche e idrofobiche)

Peptidi sono oggetti intrinsecamente chirali, che danno luogo a strutture supramolecolari chirali!

Peptidi possono essere facilmente funzionalizzati con gruppi intelligenti (adding smartness)

- elica- sheet

13 atomi per ciclo3.5 residui per spira-elicaLegame a Idrogenoii+4

L -elica 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 dellenergia potenzialemala formazione di strutture ordinate congela molti gradi di libert

Eliche formate da pochi amminoacidi non sono stabili in soluzione, allorch vengano estratte dalla struttura proteica nativaJ. Biochem. Vol. 129, pp. 971-977 (2001)-elica

S. H. Gellman, Accounts of Chemical Research 1998, 31, 173. Foldamers are molecules that have well-defined and predictable folding properties in solution.

Amminoacidi disostituiti C,

Elica 310

-elicaAmminoacidi disostituiti C,

R = interchromophoric distance

b peptidi

b peptidi

Sintetizzare building-bloks molecolari funzionalizzati

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 allinterno, idrofiliche allesterno).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.

Una testa funzionalizzata per il riconoscimento di cellule o di biomolecole; uno spaziatore per la separazione fisica dalla superficie; una coda funzionalizzata per lattacco 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 dellespressione genica:Nanoparticelle doro 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.

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 argentoa: Un elastomero (polidimetil silossano, PDMS) usato per creare canali micrometrici che servono come guida per una soluzione peptidica che scorre per capillarit sul substrato di vetro.

Stato a trasferimento di carica

hemDAe-habsDAhabsInputchimicoElettronica Molecolare: unit logica di AND OffOnInputottico

InputotticoInputchimicoOutputAnd000100010111

Eliche peptidiche generano un campo elettrostatico direzionale (3.5 D per residuo)!

Eliche peptidiche controllano la direzione del trasferimento elettronicoA-

D+

A-

D+

+

= 40 D

-

in 310-helix: k1 30 k2

in random coil: k1 k2

M.A. Fox, JACS (1997)

Ha in sequenza un amminoacido fluorescente (Trp) e un gruppo disolfuro per legarlo covalentemente alla superficie doro (acido lipoico)Il peptide assume una rigida struttura in elica 310

StripesBuche di diametro di 20-50 sono la struttura predominante.

La profondit delle buche (2.4 )corrisponde allo step monoatomico di Au(111) fasci peptidici regolarmente depositati sulla superficie (stripes).Ogni filare separato di 7 nm.Buche (holes)

Il SAM peptidico inibisce la scarica agli elettrodi!

La risposta corrente vs. potenziale applicato dipende dalle interazioni tra il SAM peptidico e la superficie elettrodica. SAM peptidicoSAM di undecatiolo

Elettrodo nudoSAM a singolo peptideSAM peptidicomisto

Uno switch molecolare fotoattivato!Emanuela Gatto, Ph.D. ThesisPremio 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 and Perspective, VCH, Weinheim 1995