New tools for chemical modification of proteins

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

This thesis falls within the field of chemical biology, describing a selective modification (with controlled reversibility) of primary amines of biomolecules. Selective conjugation of species to the surface of biomolecules is extremely important in that it allows an endless number of biological applications, leading to modify the properties of biomolecules. As examples of these modifications, the mimicry of post-translational modifications of proteins, artificial glycosylation and immobilization of biomolecules to certain surfaces, incorporation of molecules for bioimaging, enhancement of pharmacokinetic properties of biomolecules and drug-delivery possibilities. Based on published literature, a selective modification (with controlled reversibility) of primary amines on the surface of native proteins and other biomolecules was found and optimized. Its theoretical foundations were elucidated with DFT calculations and its reversibility proven with a select set of endogenous molecules. After the above-mentioned discovery and optimized conjugation, various synthetic modifications have been made to induce specific chemical properties to the molecule, keeping the core structure that allows conjugation. Several compounds with different properties were synthesized and important biological studies were performed. Particularly, a study from which it was concluded that these iminoboronates are stable enough to go through cellular internalization and that the conjugation of a cytotoxic drug with a biomolecule can possibly increase the selectivity of the internalization of the drug. The study of intracellular reversibility of the conjugate is currently in progress through the development of an "ON-OFF" probe that is specific for this type of conjugation. Nevertheless, in this work it was found that the conjugation system has a deficient reversibility, and for that reason experiments were initiated (ongoing work) to improve this bioconjugation to the point that a broader number of biological applications can be applied.

A tese apresentada insere-se no campo de química biológica, descrevendo uma modificação selectiva (e com reversibilidade controlada) de aminas primárias em biomoléculas. A conjugação selectiva de espécies à superfície de biomoléculas é extremamente importante na medida em que permite um infindável número de aplicações biológicas, podendo até modificar as propriedades inerentes da biomolécula. Como exemplos destas modificações, salientam-se a mimetização de modificações pos-translaccionais de proteínas, a glicosilação artificial e a imobilização a determinadas superfícies de biomoléculas, a incorporação de moléculas para bioimaging, a alteração de propriedades farmacocinéticas de biomoléculas e a possibilidade de distribuição selectiva de compostos com propriedades farmacológicas. Baseado na literatura publicada, uma modficação selectiva e com reversibilidade controlada de aminas primárias à superfície de proteínas naturadas e outras biomoléculas foi encontrada e optimizada. As suas fundamentações teóricas foram elucidadas com um estudo de cálculos de DFT e a sua reversibilidade comprovada utilizando um conjunto selecto de moléculas. Depois de descoberta e optimizada a conjugação supracitada, diferentes modificações sintéticas foram feitas para conferir propriedades químicas específicas à molécula, mantendo a estrutura nuclear que permite a conjugação. Sintetizados vários compostos com diferentes propriedades, importantes estudos biológicos poderam ser feitos. Nomeadamente, o estudo que permitiu concluir que os iminoboronatos são estáveis o suficiente a um processo de internalização celular e que a conjugação de um fármaco citotóxico a uma biomolécula poderá aumentar a selectividade da internalização do fármaco. O estudo de reversibilidade intracelular do conjugado está neste momento a decorrer, através do desenvolvimento de uma sonda “ON-OFF” específica para este tipo de conjugações. Ainda assim, no decorrer do trabalho, verificou-se que o sistema de conjugação tem uma reversibilidade deficiente, pelo que, foram iniciadas experiências (ainda em curso) para melhorar esta bioconjugação ao ponto de potenciar as suas aplicações biológicas.

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