New multivalent calixarene-based ligands for protein recognition and inhibition

One of the challenges that concerns chemistry is the design of molecules able to modulate protein-protein and protein-ligand interactions, since these are involved in many physiological and pathological processes. The interactions occurring between proteins and their natural counterparts can take place through reciprocal recognition of rather large surface areas, through recognition of single contact points and single residues, through inclusion of the substrates in specific, more or less deep binding sites. In many cases, the design of synthetic molecules able to interfere with the processes involving proteins can benefit from the possibility of exploiting the multivalent effect. Multivalency, widely spread in Nature, consists in the simultaneous formation between two entities (cell-cell, cell-protein, protein-protein) of multiple equivalent ligand-recognition site complexes. In this way the whole interaction results particularly strong and specific. Calixarenes furnish a very interesting scaffold for the preparation of multivalent ligands and in the last years calixarene-based ligands demonstrated their remarkable capability to recognize and inhibit or restore the activity of different proteins, with a high efficiency and selectivity in several recognition phenomena. The relevance and versatility of these ligands is due to the different exposition geometries of the binding units that can be explored exploiting the conformational properties of these macrocycles, the wide variety of functionalities that can be linked to their structure at different distances from the aromatic units and to their intrinsic multivalent nature. With the aim of creating new multivalent systems for protein targeting, the work reported in this thesis regards the synthesis and properties of glycocalix[n]arenes and guanidino calix[4]arenes for different purposes. Firstly, a new bolaamphiphile glycocalix[4]arene in 1,3-alternate geometry, bearing cellobiose, was synthesized for the preparation of targeted drug delivery systems based on liposomes. The formed stable mixed liposomes obtained by mixing the macrocycle with DOPC were shown to be able of exploiting the sugar units emerging from the lipid bilayer to agglutinate Concanavalin A, a lectin specific for glucose. Moreover, always thanks to the presence of the glycocalixarene in the layer, the same liposomes demonstrated through preliminary experiments to be uptaken by cancer cells overexpressing glucose receptors on their exterior surface more efficiently respect to simple DOPC liposomes lacking glucose units in their structure. Then a small library of glycocalix[n]arenes having different valency and geometry was prepared, for the creation of potentially active immunostimulants against Streptococcus pneumoniae, particularly the 19F serotype, one of the most virulent. These synthesized glycocalixarenes bearing β-N-acetylmannosamine as antigenic unit were compared with the natural polysaccharide on the binding to the specific anti-19F human polyclonal antibody, to verify their inhibition potency. Among all, the glycocalixarene based on the conformationally mobile calix[4]arene resulted the more efficient ligand, probably due its major possibility to explore the antibody surface and dispose the antigenic units in a proper arrangement for the interaction process. These results pointed out the importance of how the different multivalent presentation in space of the glycosyl units can influence the recognition phenomena. At last, NMR studies, using particularly 1H-15N HSQC experiments, were performed on selected glycocalix[6]arenes and guanidino calix[4]arenes blocked in the cone geometry, in order to better understand protein-ligand interactions. The glycosylated compounds were studied with Ralstonia solanacearum lectin, in order to better understand the nature of the carbohydrate‐lectin interactions in solution. The series of cationic calixarene was employed with three different acidic proteins: GB1, Fld and alpha synuclein. Particularly GB1 and Fld were observed to interact with all five cationic calix[4]arenes but showing different behaviours and affinities.

Identification and characterization of periplasmic proteins implicated in the adaptation of Helicobacter pylori to the human gastric niche

Helicobacter pylori è un batterio Gram-negativo in grado di colonizzare la mucosa gastrica umana e persistere per l'intero arco della vita dell'ospite. E' associato a patologie gastrointestinali, quali gastrite cronica, ulcere gastriche e duodenali, adenocarcinomi e linfomi gastrici. Si tratta di uno dei patogeni più diffusi, presente in circa metà della popolazione mondiale, e il solo che si è adattato a vivere nell'ambiente ostile dello stomaco umano. Molteplici sono i fattori di virulenza che permettono al batterio la colonizzazione della nicchia gastrica e contribuiscono, anche attraverso l' induzione di una risposta infiammatoria, a profonde modificazioni dell' omeostasi gastrica. Queste ultime si associano, ad esempio, all'iperproduzione di fattori proinfiammatori, ad alterazioni sia della regolazione della secrezione acida gastrica sia del ciclo cellulare e della morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule epiteliali gastriche, a disordini nel metabolismo del ferro e a carenze di elementi essenziali. Studi sulla diversità genetica di H. pylori osservata in ceppi isolati da varie regioni del mondo, dimostrano che tale batterio ha avuto una coevoluzione col genere umano attraverso la storia, ed è verosimile che H. pylori sia stato un costituente del microbiota gastrico per almeno 50.000 anni. Scopo della tesi è stato quello di identificare e caratterizzare proteine importanti per la colonizzazione e l'adattamento di H. pylori alla nicchia gastrica. In particolare gli sforzi si sono concentrati su due proteine periplasmatiche, la prima coinvolta nella difesa antiossidante (l'enzima catalasi-like, HP0485), e la seconda nel trasporto di nutrienti presenti nell'ambiente dello stomaco all'interno della cellula (la componente solubile di un ABC transporter, HP0298). La strategia utilizzata prevede un'analisi bioinformatica preliminare, l'ottenimento del gene per amplificazione, mediante PCR, dal genoma dell'organismo, la costruzione di un vettore per il clonaggio, l'espressione eterologa in E. coli e la successiva purificazione. La proteina così ottenuta viene caratterizzata mediante diverse tecniche, quali spettroscopia UV, dicroismo circolare, gel filtrazione analitica, spettrometria di massa. Il capitolo 1 contiene un'introduzione generale sul batterio, il capitolo 2 e il capitolo 3 descrivono gli studi relativi alle due proteine e sono entrambi suddivisi in un abstract iniziale, un'introduzione, la presentazione dei risultati, la discussione di questi ultimi, i materiali e i metodi utilizzati. La catalasi-like (HP0485) è una proteina periplasmatica con struttura monomerica, appartenente ad una famiglia di enzimi a funzione per la maggior parte sconosciuta, ma evolutivamente correlati alla ben nota catalasi, attore fondamentale nella difesa di H. pylori, grazie alla sua azione specifica di rimozione dell'acqua ossigenata. HP0485, pur conservando il fold catalasico e il legame al cofattore eme, non può compiere la reazione di dismutazione dell'acqua ossigenata; possiede invece un'attività perossidasica ad ampio spettro, essendo in grado di accoppiare la riduzione del perossido di idrogeno all'ossidazione di diversi substrati. Come la catalasi, lavora ad alte concentrazioni di aqua ossigenata e non arriva a saturazione a concentrazioni molto elevate di questo substrato (200 mM); la velocità di reazione catalizzata rimane lineare anche a questi valori, aspetto che la differenzia dalle perossidasi che vengono in genere inattivate da concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 10-50 mM. Queste caratteristiche di versatilità e robustezza suggeriscono che la catalasi-like abbia un ruolo di scavenger dell'acqua ossigenata e probabilmente anche un'altra funzione connessa al suo secondo substrato, ossia l'ossidazione di composti nello spazio periplasmatico cellulare. Oltre alla caratterizzazione dell'attività è descritta anche la presenza di un ponte disolfuro, conservato nelle catalasi-like periplasmatiche, con un ruolo nell'assemblaggio dell'eme per ottenere un enzima attivo e funzionale. La proteina periplasmatica HP0298, componente di un sistema di trasporto ABC, è classificata come trasportatore di dipeptidi e appartiene a una famiglia di proteine in grado di legare diversi substrati, tra cui di- e oligopeptidi, nichel, eme, glutatione. Benchè tutte associate a trasportatori di membrana batterici, queste proteine presentano un dominio di legame al substrato che risulta essere conservato nei domini extracellulari di recettori specifici di mammifero e uomo. Un esempio sono i recettori ionotropici e metabotropici del sistema nervoso. Per caratterizzare questa proteina è stato messo a punto un protocollo di ligand-fishing accoppiato alla spettrometria di massa. La proteina purificata, avente un tag di istidine, è stata incubata con un estratto cellulare di H. pylori per poter interagire con il suo substrato specifico all'interno dell'ambiente naturale in cui avviene il legame. Il complesso proteina-ligando è stato poi purificato per cromatografia di affinità e analizzato mediante HPLC-MS. L'identificazione dei picchi differenziali tra campioni con la proteina e 5 campioni di controllo ha portato alla caratterizzazione di pentapeptidi particolarmente ricchi in aminoacidi idrofobici e con almeno un residuo carico negativamente. Considerando che H. pylori necessita di alcuni aminoacidi essenziali, per la maggior parte idrofobici, e che lo stomaco umano è particolarmente ricco di peptidi prodotti dalla digestione delle proteine introdotte con il cibo, il ruolo fisiologico di HP0298 potrebbe essere l'internalizzazione di peptidi, con caratteristiche specifiche di lunghezza e composizione, che sono naturalmente presenti nella nicchia gastrica.