Electrostatically self-assembled nanoparticles based on biomolecules

In this work, two different systems were investigated to develop fundamental understanding of the self-assembly behavior of polyelectrolytes and small organic counterions with a certain geometry. Complexes formed were characterized by light scattering in solution, as well as UV-Vis spectroscopy, analytical ultracentrifugation, gel electrophoresis, zeta potential and IR spectroscopy. The morphologies of the aggregates were observed by AFM in dried state on surface. The charge ratio, the valence and the structure of the counterion were shown to represent key parameters in the complexation. The influence of polyelectrolyte type and molecular weights was also determined for the structure formed.rnrnOne system was mainly focused on the association of double-strand DNA with non-intercalating divalent and tetravalent organic counterions. The other model system involved linear NaPSS and oligolysines. In addition, various influences on the morphology of the charged self-assembly complexes in AFM studies were discussed. It was shown that electrostatic self-assembly of DNA and non-intercalating counterions as well as of a linear synthetic polyelectrolyte with oligolysine counterions that can build mutual hydrogen bonds can yield supramolecular aggregates of a defined size. Various morphologies (flower-like, rod-like, toroidal and spherical) of the assemblies were obtained for different combinations of polyelectrolyte and counterions. Results presented in this work are of importance for the fundamental understanding of the association behavior of various polyelectrolytes and organic counterions. The selection of biopolymers for the study may give an opportunity to transfer the basic research results into biological applications, such as gene therapy or drug delivery.rn

Lipophilic nucleosides: studies toward self-assembled functional materials

Molecular self-assembly takes advantage of supramolecular non-covalent interactions (ionic, hydrophobic, van der Waals, hydrogen and coordination bonds) for the construction of organized and tunable systems. In this field, lipophilic guanosines can represent powerful building blocks thanks to their aggregation proprieties in organic solvents, which can be controlled by addition or removal of cations. For example, potassium ion can template the formation of piled G-quartets structures, while in its absence ribbon-like G aggregates are generated in solution. In this thesis we explored the possibility of using guanosines as scaffolds to direct the construction of ordered and self-assembled architectures, one of the main goals of bottom-up approach in nanotechnology. In Chapter III we will describe Langmuir-Blodgett films obtained from guanosines and other lipophilic nucleosides, revealing the “special” behavior of guanine in comparison with the other nucleobases. In Chapter IV we will report the synthesis of several thiophene-functionalized guanosines and the studies towards their possible use in organic electronics: the pre-programmed organization of terthiophene residues in ribbon aggregates could allow charge conduction through π-π stacked oligothiophene functionalities. The construction and the behavior of some simple electronic nanodevices based on these organized thiopehene-guanosine hybrids has been explored.

Alpha, Omega end group functionalization of RAFT polymers based on pentafluorophenyl esters and methane thiosulfonates

While polymers with different functional groups along the backbone have intensively been investigated, there is still a challenge in orthogonal functionalization of the end groups. Such well-defined systems are interesting for the preparation of multiblock (co) polymers or polymer networks, for bio-conjugation or as model systems for examining the end group separation of isolated polymer chains. rnHere, Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) polymerization was employed as method to investigate improved techniques for an a, w end group functionalization. RAFT produces polymers terminated in an R group and a dithioester-Z group, where R and Z stem from a suitable chain transfer agent (CTA). rnFor alpha end group functionalization, a CTA with an activated pentafluorophenyl (PFP) ester R group was designed and used for the polymerization of various methacrylate monomers, N-isopropylacrylamide and styrene yielding polymers with a PFP ester as a end group. This allowed the introduction of inert propyl amides, of light responsive diazo compounds, of the dyes NBD, Texas Red, or Oregon Green, of the hormone thyroxin and allowed the formation of multiblocks or peptide conjugates. rnFor w end group functionalization, problems of other techniques were overcome through an aminolysis of the dithioester in the presence of a functional methane thiosulfonate (MTS), yielding functional disulfides. These disulfides were stable under ambient conditions and could be cleaved on demand. Using MTS chemistry, terminal methyl disulfides (enabling self-assembly on planar gold surfaces and ligand substitution on gold and semiconductor nanoparticles), butynyl disulfide end groups (allowing the “clicking” of the polymers onto azide functionalized surfaces and the selective removal through reduction), the bio-target biotin, and the fluorescent dye Texas Red were introduced into polymers. rnThe alpha PFP amidation could be performed under mild conditions, without substantial loss of DTE. This way, a step-wise synthesis produced polymers with two functional end groups in very high yields. rnAs examples, polymers with an anchor group for both gold nanoparticles (AuNP) and CdSe / ZnS semi-conductor nanoparticles (QD) and with a fluorescent dye end group were synthesized. They allowed a NP decoration and enabled an energy transfer from QD to dye or from dye to AuNP. Water-soluble polymers were prepared with two different bio-target end groups, each capable of selectively recognizing and binding a certain protein. The immobilization of protein-polymer-protein layers on planar gold surfaces was monitored by surface plasmon resonance.Introducing two different fluorescent dye end groups enabled an energy transfer between the end groups of isolated polymer chains and created the possibility to monitor the behavior of single polymer chains during a chain collapse. rnThe versatility of the synthetic technique is very promising for applications beyond this work.

Chemical transformations of the pyrene K-region for functional materials

In dieser Arbeit wurde eine neue Methode zur asymmetrischen Substitution der K-Regionen von Pyren entwickelt, auf welcher das Design und die Synthese von neuartigen, Pyren-basierten funktionalen Materialien beruht. Eine Vielzahl von Substitutionsmustern konnte erfolgreich realisiert werden um die Eigenschaften entsprechend dem Verwendungszweck anzupassen. Der polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff (PAK) Pyren setzt sich aus vier Benzolringen in Form einer planaren Raute mit zwei gegenüberliegenden K-Regionen zusammen. Der synthetische Schlüsselschritt dieser Arbeit ist die chemische Transformation der einen K-Region zu einem α-Diketon und der darauffolgenden selektiven Bromierung der zweiten K-Region. Dieser asymmetrisch funktionalisierte Baustein zeichnet sich durch zwei funktionelle Gruppen mit orthogonaler Reaktivität aus und erweitert dadurch das Arsenal der etablierten Pyren Chemie um eine vielseitig einsetzbare Methode. Aufbauend auf diesem synthetischen Zugang wurden fünf wesentliche Konzepte auf dem Weg zu neuen, von Pyren abgeleiteten Materialen verfolgt: (i) Asymmterische Substitution mit elektronenziehenden versus -schiebenden Gruppen. (ii) Darstellung von Pyrenocyaninen durch Anbindung von Pyren mit einer der K-Regionen an das Phthalocyanin Gerüst zur Ausdehnung des π-Systems. (iii) Einführung von Thiophen an die K-Region um halbleitende Eigenschaften zu erhalten. (iv) Symmetrische Annullierung von PAKs wie Benzodithiophen und Phenanthren an beide K Regionen für cove-reiche und dadurch nicht-planare Strukturen. (v) Verwendung des K-Region-funktionalisierten Pyrens als Synthesebaustein für das Peri-Pentacen. Neben der Synthese wurde die Selbstorganisation in der Festphase und an der flüssig/fest Grenzfläche mittels zweidimensionaler Weitwinkel-Röntgenstreuung (2D WAXS) bzw. Rastertunnelmikroskopie (STM) untersucht. Die halbleitenden Eigenschaften wurden in organischen Feld-Effekt Transistoren (OFETs) charakterisiert.

Simulations of amphiphilic peptides at the air-water interface

Amphiphile Peptide, Pro-Glu-(Phe-Glu)n-Pro, Pro-Asp-(Phe-Asp)n-Pro, und Phe-Glu-(Phe-Glu)n-Phe, können so aus n alternierenden Sequenzen von hydrophoben und hydrophilen Aminosäuren konstruiert werden, dass sie sich in Monolagen an der Luft-Wasser Grenzfläche anordnen. In biologischen Systemen können Strukturen an der organisch-wässrigen Grenzfläche als Matrix für die Kristallisation von Hydroxyapatit dienen, ein Vorgang der für die Behandlung von Osteoporose verwendet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurden Computersimulationenrneingesetzt, um die Strukturen und die zugrunde liegenden Wechselwirkungen welche die Aggregation der Peptide auf mikroskopischer Ebene steuern, zu untersuchen. Atomistische Molekulardynamik-Simulationen von einzelnen Peptidsträngen zeigen, dass sie sich leicht an der Luft-Wasser Grenzfläche anordnen und die Fähigkeit haben, sich in β-Schleifen zu falten, selbst für relativ kurze Peptidlängen (n = 2). Seltene Ereignisse wie diese (i.e. Konformationsänderungen) erfordern den Einsatz fortgeschrittener Sampling-Techniken. Hier wurde “Replica Exchange” Molekulardynamik verwendet um den Einfluss der Peptidsequenzen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass Peptide mit kürzeren azidischen Seitenketten (Asp vs. Glu) gestrecktere Konformationen aufwiesen als die mit längeren Seitenketten, die in der Lage waren die Prolin-Termini zu erreichen. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Prolin-Termini (Pro vs. Phe) notwendig sind, um eine 2D-Ordnung innerhalb derrnAggregate zu erhalten. Das Peptid Pro-Asp-(Phe-Asp)n-Pro, das beide dieser Eigenschaften enthält, zeigt das geordnetste Verhalten, eine geringe Verdrehung der Hauptkette, und ist in der Lage die gebildeten Aggregate durch Wasserstoffbrücken zwischen den sauren Seitenketten zu stabilisieren. Somit ist dieses Peptid am besten zur Aggregation geeignet. Dies wurde auch durch die Beurteilung der Stabilität von experimentnah-aufgesetzten Peptidaggregaten, sowie der Neigung einzelner Peptide zur Selbstorganisation von anfänglich ungeordneten Konfigurationen unterstützt. Da atomistische Simulationen nur auf kleine Systemgrößen und relativ kurze Zeitskalen begrenzt sind, wird ein vergröbertes Modell entwickelt damit die Selbstorganisation auf einem größeren Maßstab studiert werden kann. Da die Selbstorganisation an der Grenzfläche vonrnInteresse ist, wurden existierenden Vergröberungsmethoden erweitert, um nicht-gebundene Potentiale für inhomogene Systeme zu bestimmen. Die entwickelte Methode ist analog zur iterativen Boltzmann Inversion, bildet aber das Update für das Interaktionspotential basierend auf der radialen Verteilungsfunktion in einer Slab-Geometrie und den Breiten des Slabs und der Grenzfläche. Somit kann ein Kompromiss zwischen der lokalen Flüssigketsstruktur und den thermodynamischen Eigenschaften der Grenzfläche erreicht werden. Die neue Methode wurde für einen Wasser- und einen Methanol-Slab im Vakuum demonstriert, sowie für ein einzelnes Benzolmolekül an der Vakuum-Wasser Grenzfläche, eine Anwendung die von besonderer Bedeutung in der Biologie ist, in der oft das thermodynamische/Grenzflächenpolymerisations-Verhalten zusätzlich der strukturellen Eigenschaften des Systems erhalten werden müssen. Daraufrnbasierend wurde ein vergröbertes Modell über einen Fragment-Ansatz parametrisiert und die Affinität des Peptids zur Vakuum-Wasser Grenzfläche getestet. Obwohl die einzelnen Fragmente sowohl die Struktur als auch die Wahrscheinlichkeitsverteilungen an der Grenzfläche reproduzierten, diffundierte das Peptid als Ganzes von der Grenzfläche weg. Jedoch führte eine Reparametrisierung der nicht-gebundenen Wechselwirkungen für eines der Fragmente der Hauptkette in einem Trimer dazu, dass das Peptid an der Grenzfläche blieb. Dies deutet darauf hin, dass die Kettenkonnektivität eine wichtige Rolle im Verhalten des Petpids an der Grenzfläche spielt.

Preparation and functional characterisation of recombinant silicatein-alpha from the sponge Suberites domuncula

The marine world is an immense source of biodiversity that provides substances with striking potentials in medicinal chemistry and biotechnology. Sponges (Porifera) are marine animals that represent the most impressive example of organisms possessing the ability to metabolise silica through a family of enzymes known as silicateins. Complex skeletal structures (spicules) made of pure biogenic silica (biosilica) are produced under physiological conditions. Biosilica is a natural material comprising inorganic and organic components with unique mechanical, optical, and physico-chemical properties, including promising potential to be used for development of therapeutic agents in regenerative medicine. Unravelling the intimate physiological mechanisms occurring in sponges during the construction of their siliceous spicules is an on-going project, and several questions have been addressed by the studies proposed by our working group. In this doctoral work, the recombinant DNA technology is exploited for functional and structural characterisation of silicatein. Its precursors are produced as fusion proteins with a chaperone tag (named TF-Ps), and a robust method for the overexpression of native soluble proteins in high concentrations has been developed. In addition, it is observed and proven experimentally that the maturation of silicatein is an autocatalytic event that: (i) can be modulated by rational use of protease inhibitors; (ii) is influenced by the temperature of the environment; (iii) only slightly depends on the pH. In the same experimental framework, observations on the dynamics in the maturation of silicateins allow a better understanding of how the axial filaments form during the early stages of spicule construction. In addition, the definition of new distinct properties of silicatein (termed “structure-guiding” and “structure-forming”) is introduced. By homology models and through comparisons with similar proteins (the cathepsins), domains with significant surface hydrophobicity are identified as potential self-assembly mediators. Moreover, a high-throughput screening showed that TF-Ps could generate crystals under certain conditions, becoming promising for further structural studies. With the goal of optimise the properties of the recombinant silicatein, implementation of new production systems are tried for the first time. Success in the expression of silicatein-type proteins in insect and yeast cells, constitute a promising basis for further development, towards the establishment of an efficient method for the production of a high-value pure and soluble protein.

Stabilizing molecular self-assemblies via on-surface reactions

Für die Realisierung zukünftiger Technologien, wie z.B. molekulare Elektronik, werden Strategien benötigt, um funktionale Strukturen direkt auf Oberflächen zu erzeugen. Für die Bewältigung dieser Aufgabe ist die molekulare Selbstanordnung ein äußerst vielversprechender Bottom-up-Ansatz. Hierbei ist eine der größten Herausforderungen das Zusammenspiel aus intramolekularer Wechselwirkung und der Wechselwirkung zwischen Substrat und Molekülen in ein Gleichgewicht zu bringen. Da jedoch die wirkenden Kräfte der molekularen Selbstanordnung ausschließlich reversibler Natur sind, ist eine langfristige Stabilität fragwürdig. Somit ist die kovalente Verknüpfung der gebildeten Strukturen durch Reaktionen direkt auf der Oberfläche unerlässlich, um die Stabilität der Strukturen weiter zu erhöhen. Hierzu stellt die vorliegende Arbeit eine ausführliche Studie zu molekularer Selbstanordnung und der zielgerichteten Modifikation ebensolcher Strukturen dar. Durch den Einsatz von hochauflösender Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum, welche es erlaubt einzelne Moleküle auf Nichtleitern abzubilden, wurde der maßgebliche Einfluss von Ankerfunktionalitäten auf den Prozess der molekularen Selbstanordnung gezeigt. Des Weiteren konnte die Stabilität der selbst angeordneten Strukturen durch neue Oberflächenreaktionskonzepte entschieden verbessert werden. Der Einfluss von Ankerfunktionen, die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Molekül und Substrat vermitteln, auf den Strukturbildungsprozess der molekularen Selbstanordnung wird eingehend durch den Vergleich eines aromatischen Moleküls und seines vierfach chlorierten Derivates gezeigt. Für diese beiden Moleküle wurde ein deutlich unterschiedliches Verhalten der Selbstanordnung beobachtet. Es wird gezeigt, dass die Fähigkeit zur Bildung selbst angeordneter, stabiler Inseln entscheidend durch die Substituenten und die Abmessungen des Moleküls beeinflusst wird. Auch wird in dieser Arbeit die erste photochemische Reaktion organischer Moleküle auf einem Isolator gezeigt. Qualitative und quantitative Ergebnisse liefern ein detailliertes Bild darüber, wie die Abmessungen des Substratgitters die Richtung der Reaktion gezielt beeinflussen. Des Weiteren wird ein allgemeines Konzept zur selektiven Stabilisierung selbstangeordneter Molekülstrukturen durch den kontrollierten Transfer von Elektronen präsentiert. Durch die gezielte Steuerung der Menge an Dotierungsatomen wird die Desorptionstemperatur der molekularen Inseln signifikant erhöht und das Desorptionsverhalten der Inseln entschieden verändert. Diese Arbeit präsentiert somit erfolgreich durchgeführte Strategien um den Prozess der molekularen Selbstanordnung zu steuern, sowie entscheidende Mechanismen um die Stabilisierung und Modifizierung von selbst angeordneten Strukturen zu gewährleisten.

Control over microstructure evolution and device performance in solution processable organic field-effect transistors

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Kontrolle von Selbstorganisation und Mikrostruktur von organischen Halbleitern und deren Einsatz in OFETs. In Kapiteln 3, 4 und 5 eine neue Lösungsmittel-basierte Verabeitungsmethode, genannt als Lösungsmitteldampfdiffusion, ist konzipiert, um die Selbstorganisation von Halbleitermolekülen auf der Oberfläche zu steuern. Diese Methode als wirkungsvolles Werkzeug erlaubt eine genaue Kontrolle über die Mikrostruktur, wie in Kapitel 3 am Beispiel einer D-A Dyad bestehend aus Hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) als Donor und Perylene Diimide (PDI) als Akzeptor beweisen. Die Kombination aus Oberflächenmodifikation und Lösungsmitteldampf kann die Entnetzungseffekte ausgleichen, so dass die gewüschte Mikrostruktur und molekulare Organisation auf der Oberfläche erreicht werden kann. In Kapiteln 4 und 5 wurde diese Methode eingesetzt, um die Selbstorganisation von Dithieno[2, 3-d;2’, 3’-d’] benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene (DTBDT) und Cyclopentadithiophene -benzothiadiazole copolymer (CDT-BTZ) Copolymer zu steuern. Die Ergebnisse könnten weitere Studien stimulieren und werfen Licht aus andere leistungsfaähige konjugierte Polymere. rnIn Kapiteln 6 und 7 Monolagen und deren anschlieβende Mikrostruktur von zwei konjugierten Polymeren, Poly (2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene) PBTTT und Poly{[N,N ′-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis (dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5′- (2,2′-bithiophene)}, P(NDI2OD-T2)) wurden auf steife Oberflächen mittels Tauchbeschichtung aufgebracht. Da sist das erste Mal, dass es gelungen ist, Polymer Monolagen aus der Lösung aufzubringen. Dieser Ansatz kann weiter auf eine breite Reihe von anderen konjugierten Polymeren ausgeweitet werden.rnIn Kapitel 8 wurden PDI-CN2 Filme erfolgreich von Monolagen zu Bi- und Tri-Schichten auf Oberflächen aufgebracht, die unterschiedliche Rauigkeiten besitzen. Für das erste Mal, wurde der Einfluss der Rauigkeit auf Lösungsmittel-verarbeitete dünne Schichten klar beschrieben.rn

Two-dimensional assembly and local redox-activity of molecular hybrid structures in an electrochemical environment

The self-assembly and redox-properties of two viologen derivatives, N-hexyl-N-(6-thiohexyl)-4,4-bipyridinium bromide (HS-6V6-H) and N,N-bis(6-thiohexyl)-4,4-bipyridinium bromide (HS-6V6-SH), immobilized on Au(111)-(1x1) macro-electrodes were investigated by cyclic voltammetry, surface enhanced infrared spectroscopy (SEIRAS) and in situ scanning tunneling microscopy (STM). Depending on the assembly conditions one could distinguish three different types of adlayers for both viologens: a low coverage disordered and an ordered striped phase of flat oriented molecules as well as a high coverage monolayer composed of tilted viologen moieties. Both molecules, HS-6V6-H and HS-6V6-SH, were successfully immobilized on Au(poly) nano-electrodes, which gave a well-defined redox-response in the lower pA–current range. An in situ STM configuration was employed to explore electron transport properties of single molecule junctions Au(T)|HS-6V6-SH(HS-6V6-H)|Au(S). The observed sigmoidal potential dependence, measured at variable substrate potential ES and at constant bias voltage (ET–ES), was attributed to electronic structure changes of the viologen moiety during the one-electron reduction/re-oxidation process V2+ V+. Tunneling experiments in asymmetric, STM-based junctions Au(T)-S-6V6-H|Au(S) revealed current (iT)–voltage (ET) curves with a maximum located at the equilibrium potential of the redox-process V2+ V+. The experimental iT–ET characteristics of the HS-6V6-H–modified tunneling junction were tentatively attributed to a sequential two-step electron transfer mechanism.

From supramolecular sheets to fibers and back: establishing the critical parameters that govern the morphology of pyrene-based self-assembled materials

The precise arraying of functional entities in morphologically well-defined shapes remains one of the key challenges in the processing of organic molecules1. Among various π-conjugated species, pyrene exhibits a set of unique properties, which make it an attractive compound for the utilization in materials science2. In this contribution we report on properties of self-assembled structures prepared from amphiphilic pyrene trimers (Py3) consisting of phosphodiester-linked pyrenes. Depending on the geometry of a pyrene core substitution (1.6-, 1.8-, or 2.7- type, see Scheme), the thermally-controlled self-assembly allows the preparation of supramolecular architectures of different morphologies in a bottom-up approach: two-dimensional (2D) nanosheets3 are formed in case of 1.6- and 2.7-substitution4 whereas one-dimensional (1D) fibers are built from 1.8- substituted isomers. The morphologies of the assemblies are established by AFM and TEM, and the results are further correlated with spectroscopic and scattering data. Two-dimensional assemblies consist of an inner layer of hydrophobic pyrenes, sandwiched between a net of phosphates. Due to the repulsion of the negative charges, the 2D assemblies exist mostly as free-standing sheets. An internal alignment of pyrenes leads to strong exciton coupling with an unprecedented observation (simultaneous development of J- and H-bands from two different electronic transitions). Despite the similarity in spectroscopic properties, the structural parameters of the 2D aggregates drastically depend on the preparation procedure. Under certain conditions extra-large sheets (thickness of 2 nm, aspect ratio area/thickness ~107) in aqueous solution are formed4B. Finally, one-dimensional assemblies are formed as micrometer-long and nanometer-thick fibers. Both, planar and linear structures are intriguing objects for the creation of conductive nanowires that may find interest for applications in supramolecular electronics.

From supramolecular sheets to fibers and back: establishing the critical parameters that govern the morphology of pyrene-based self-assembled materials

The precise arraying of functional entities in morphologically well-defined shapes remains one of the key challenges in the processing of organic molecules1. Among various π-conjugated species, pyrene exhibits a set of unique properties, which make it an attractive compound for the utilization in materials science2. In this contribution we report on properties of self-assembled structures prepared from amphiphilic pyrene trimers (Py3) consisting of phosphodiester-linked pyrenes. Depending on the geometry of a pyrene core substitution (1.6-, 1.8-, or 2.7- type, see Scheme), the thermally-controlled self-assembly allows the preparation of supramolecular architectures of different morphologies in a bottom-up approach: two-dimensional (2D) nanosheets3 are formed in case of 1.6- and 2.7-substitution4 whereas one-dimensional (1D) fibers are built from 1.8- substituted isomers. The morphologies of the assemblies are established by AFM and TEM, and the results are further correlated with spectroscopic and scattering data. Two-dimensional assemblies consist of an inner layer of hydrophobic pyrenes, sandwiched between a net of phosphates. Due to the repulsion of the negative charges, the 2D assemblies exist mostly as free-standing sheets. An internal alignment of pyrenes leads to strong exciton coupling with an unprecedented observation (simultaneous development of J- and H-bands from two different electronic transitions). Despite the similarity in spectroscopic properties, the structural parameters of the 2D aggregates drastically depend on the preparation procedure. Under certain conditions extra-large sheets (thickness of 2 nm, aspect ratio area/thickness ~107) in aqueous solution are formed4B. Finally, one-dimensional assemblies are formed as micrometer-long and nanometer-thick fibers. Both, planar and linear structures are intriguing objects for the creation of conductive nanowires that may find interest for applications in supramolecular electronics.

Assembly of τ protein into Alzheimer paired helical filaments depends on a local sequence motif (306VQIVYK311) forming β structure

We have searched for a minimal interaction motif in τ protein that supports the aggregation into Alzheimer-like paired helical filaments. Digestion of the repeat domain with different proteases yields a GluC-induced fragment comprising 43 residues (termed PHF43), which represents the third repeat of τ plus some flanking residues. This fragment self assembles readily into thin filaments without a paired helical appearance, but these filaments are highly competent to nucleate bona fide PHFs from full-length τ. Probing the interactions of PHF43 with overlapping peptides derived from the full τ sequence yields a minimal hexapeptide interaction motif of 306VQIVYK311 at the beginning of the third internal repeat. This motif coincides with the highest predicted β-structure potential in τ. CD and Fourier transform infrared spectroscopy shows that PHF43 acquires pronounced β structure in conditions of self assembly. Point mutations in the hexapeptide region by proline-scanning mutagenesis prevent the aggregation. The data indicate that PHF assembly is initiated by a short fragment containing the minimal interaction motif forming a local β structure embedded in a largely random-coil protein.

Self-assembled monolayers from a designed combinatorial library of de novo β-sheet proteins

A variety of naturally occurring biomaterials owe their unusual structural and mechanical properties to layers of β-sheet proteins laminated between layers of inorganic mineral. To explore the possibility of fabricating novel two-dimensional protein layers, we studied the self-assembly properties of de novo proteins from a designed combinatorial library. Each protein in the library has a distinct 63 amino acid sequence, yet they all share an identical binary pattern of polar and nonpolar residues, which was designed to favor the formation of six-stranded amphiphilic β-sheets. Characterization of proteins isolated from the library demonstrates that (i) they self assemble into monolayers at an air/water interface; (ii) the monolayers are dominated by β-sheet secondary structure, as shown by both circular dichroism and infrared spectroscopies; and (iii) the measured areas (500- 600 Å2) of individual protein molecules in the monolayers match those expected for proteins folded into amphiphilic β-sheets. The finding that similar structures are formed by distinctly different protein sequences suggests that assembly into β-sheet monolayers can be encoded by binary patterning of polar and nonpolar amino acids. Moreover, because the designed binary pattern is compatible with a wide variety of different sequences, it may be possible to fabricate β-sheet monolayers by using combinations of side chains that are explicitly designed to favor particular applications of novel biomaterials.

Nucleator-dependent intercellular assembly of adhesive curli organelles in Escherichia coli.

Bacterial adhesion to other bacteria, to eukaryotic cells, and to extracellular matrix proteins is frequently mediated by cell surface-associated polymers (fimbriae) consisting of one or more subunit proteins. We have found that polymerization of curlin to fimbriae-like structures (curli) on the surface of Escherichia coli markedly differs from the prevailing model for fimbrial assembly in that it occurs extracellularly through a self-assembly process depending on a specific nucleator protein. The cell surface-bound nucleator primes the polymerization of curlin secreted by the nucleator-presenting cell or by adjacent cells. The addition of monomers to the growing filament seems to be driven by mass action and guided only by the diffusion gradient between the source of secreted monomer and the surface of monomer condensation.

Kinetics of self-assembling microtubules: an "inverse problem" in biochemistry.

Experimental time series for a nonequilibrium reaction may in some cases contain sufficient data to determine a unique kinetic model for the reaction by a systematic mathematical analysis. As an example, a kinetic model for the self-assembly of microtubules is derived here from turbidity time series for solutions in which microtubules assemble. The model may be seen as a generalization of Oosawa's classical nucleation-polymerization model. It reproduces the experimental data with a four-stage nucleation process and a critical nucleus of 15 monomers.