Peptide-based foldamers: new photo-controlled devices towards opto-electronic and mechanical applications

I An ECD investigation aiming at assessing the critical main-chain length for peptide helix formation in water solution is reported. To this goal, it was synthesized by a solution step-by-step protocol a complete series of N-terminally acetylated, C-terminally methoxylated oligopeptides, characterized only by alternating Aib and Ala residues, from the di- to the nonamer stage. All of these compounds were investigated by ECD in the far-UV region in water solution as a function of chemical structure, the presence/absence of the ester moiety at the C-terminus and temperature. The critical main-chain lengths for 310- and α-helices, although still formed to a partial extent, in aqueous solution are six and eight residues, respectively. II A whole series of AuNps was synthesized from mercaptopropionic derivatives of alternating Aib/Ala peptide series. Our studies established the occurrence of chiroptical properties in peptide-coated 2 nm diameter gold nanoparticles. The peptides induce a chiral effect onto the plasmon resonance band detectable via ECD. Such a behavior appears to be strongly influenced by the secondary structure assumed by the coating peptides. III The water solubility displayed by alternating Aib/Ala peptide series was investigated. The evidences of the formation of self-assembled structures in water, likewise responsible for the unexpected solubility properties, are presented. These peptide aggregates are spherical, with diameters up to 100 nm. They can also incorporate other molecular structures of relevant size, such as Au nanoparticles. Such systems may widen the number of applications currently accessible to self-assembled aggregates in the fields of biomedicine and materials science. IV Two new Ca-tetrasubstituted a-amino acids bearing two identical azobenzene-derived side chains have been synthesized. Photo-reversible isomerization process was detected. Intermediate chiral species are generated during the isomerization process driven by iii light. Diastereomers where generated when a chiral protein amino acid was inserted. The conjugation of one of the bis(azobenzene)-derived amino acids with different metal nanoparticles allowed the isomerization process to be detected even in solid state. Furthermore, the Au-derived nanoparticles exhibit a magnetic susceptibility dependence on the light-driven isomerization state that can be simply detected by 1H-NMR spectroscopy. Based on this behavior, these amino acids are of relevant potential for the development of a novel class of materials. V A series of Ferrocene and Pyrene labelled helical peptides containing one or more 4- amino-1,2-dithiolane-4-carboxylic acid (Adt) residues have been synthetized. Such peptides have been prepared to be employed in the formation of SAMs over gold surfaces (by means of linkage with the dithiolane Adt side chains) for electrochemical applications. In particular, the peptides have been designed for ensuring: (i) an highrigidity of the peptide scaffold and (ii) a parallel disposition of the peptide axle respect the metal surface. Conformational characterizations and CV tests on a Ferrocene binding 6-mer are presented. Preliminary experiment on the photo-current generation property has also been performed.

I Al fine di determinare la lunghezza critica per la formazione di eliche peptidiche in acqua è stata effettuata un’ indagine ECD su una serie completa di oligopeptidi acetilati composti da residui alternati di L-Ala ed Aib e terminante come estere metilico. Tali peptidi, pur non presentando funzionalità cariche o polari, risultano essere idrosolubili. L’ indagine È stata effettuata nell’ UV da 250 a 190 nm, ovvero nella regione dello spettro dicroico sensibile alla conformazione peptidica. Anche l’ assenza dell’ estere metilico (residuo C-terminale come carbossile o carbossilato) e la variazione della temperatura sono state studiate per osservare gli effetti sulla confomazione. Le lunghezze critiche per la transizione da struttura random ad elica 310 e da elica 310 ad elica risultano essere l’ esapeptide e l’ ottapeptide rispettivamente. II Una serie completa di nanoparticelle d’ Oro sono state sintetizzate dai peptidi della serie alternata Aib/L-Ala descritta, opportunamente funzionalizzati con acido 3-mercapto propionico. Lo studio ha stabilito la presenza di effetti chirali indotti sull’ oro dalla presenza dei leganti peptidici. Tale effetto È stato determinato via indagine ECD ed È dipendente dalla struttura secondaria del peptide e dall’ amminoacido più prossimo in catena nei leganti peptidici. III Le cause della solubilità in acqua evidenziata dai peptide della serie È stata indagata. Sono stati supposti dei meccanismi di auto aggregazione in acqua. Un’ indagine TEM ha confermato tale ipotesi. Nel caso dell’ undeca-peptide Z-Ala3-(AibAla)4OMe tali aggregati risultano sferici e di dimensioni dell’ ordine dei 100 nm. Ne È stata inoltre studiata la capacità di inglobare nanoaparticelle di Oro. Tali sistemi possono ampliare le applicazioni di sistemi auto assemblanti nei campi della biomedicina e dei materiali. IV Due nuovi ammino acidi Cα tetrasostituiti recanti due unità azobenzeniche identiche in catena laterale sono stati sintetizzati. Sono stati studiati processi di foto-isomerizzazione reversibili. E’ stata inoltre determinata la formazione di speci intermedie chirali durante tale processo. Tali amminoacidi sono stati accoppiati a residui chirali (L-Leu). In tal caso, durante il processo di isomerizzazione È stata riscontrata la formazione di speci diastereoisomeriche. Tali amminoacidi recanti due unità azobenzeniche sono stati quindi opportunamente derivatizzati per la formazione di nanoaparticelle metalliche. In particolare, il processo di foto-isomerizzazione È stato testato in fase solida su nanoparticelle di Oro con tali ammino acidi come leganti. E’ stato quindi svolto uno studio sulle proprietà magnetiche di tali nanoparticelle e la sua dipendenza dal processo di foto-isomerizzazione delle catene laterali dei leganti. V Sono stati sintetizzati una serie di peptidi elicoidali rigidi funzionalizzati con unità Pireneacetica o Ferrocenica all’ estremità N-terminale. La rigidità di tali eliche peptidiche È stata ottenuta utilizzando residui alternati di L-Ala ed Aib. Tali peptidi sono stati sintetizzati per formare SAM su superfici di Oro per applicazioni in elettrochimica. A tale scopo, i peptidi contengono anche uno o più residui di acido 4-ammino-1,2-ditiolano-4-carbossilico (Adt), un residuo in grado di legare l’ Oro grazie al legame disolfuro in catena laterale. Tale tipo di legame assicura inoltre una disposizione parallela delle catene peptidiche rispetto la superficie. Sono stati sintetizzati due decapeptidi recanti due Adt in posizione 1 e 8 (due giri esatti in un’ elica) ed una serie di esapeptidi recanti gli Adt in posizione 1 e 4 (un giro di elica 310). Tale geometria consente il legame più efficiente possibile alla superficie, in quanto i residui di Adt si trovano dallo stesso lato dell’ elica. I prodotti finali sono stati chimicamente caratterizzati. Sono state condotte approfondite indagini conformazionali su due esapeptidi. Su un esapeptide contenente Ferrocene sono stati inoltre condotti degli esperimenti di voltammetria ciclica e di generazione di foto-corrente.