Prion inspired assemblies to build up functional bionanomaterials

Abstract

Malgrat l’ensamblatge amiloide ha estat tradicionalment relacionat amb malaltia, en les darreres dues dècades, s’ha ressaltat la seva implicació en importants funcions biològiques. Aquestes troballes han incrementat l’interès per al desenvolupament de nanomaterials inspirats en amiloides en múltiples àrees com la biomedicina, la nanoelectrònica, les ciències mediambientals o la nanotecnologia. La complexitat de la producció i manipulació de proteïnes amiloides complertes ha manifestat la necessitat d’obtenir blocs alternatius que mimetitzin les seves propietats per a l’ensamblatge de nanomaterials basats en amiloides. L’ús de pèptids curts naturals o sintètics ha sorgit com una de les solucions més atractives, la síntesi dels quals resulta més fàcil, ràpida i barata en comparació amb les seqüències complertes. Els prions i les proteïnes prion-like presenten velocitats d’agregació més lentes en comparació amb els amiloides clàssics i, en determinades condicions, el procés pot ser reversible, dues propietats que els fan atractius per al desenvolupament de nanomaterials. Tot i aquesta potencialitat, el disseny de novo i la síntesi de pèptids curts inspirats en prions per aplicacions nanotecnològiques no s’ha explorat fins fa poc temps.

En aquesta tesi, es recullen una sèrie d’estudis en referència al disseny i caracterització de nanomaterials sintètics inspirats en prions. S’ha explorat la capacitat dels pèptids curts dissenyats basats en la composició dels prions de polimeritzar en agregats amiloides i es van estudiar les interaccions moleculars que permeten la seva organització supramolecular. A més, s’han il·lustrat algunes de les potencials aplicacions d’aquests ensamblatges, explorant les seves propietats biocatalítiques, el seu acoblament amb el sistema biotina-estreptavidina i la seva decoració amb cations metàl·lics divalents. També s’ha explorat com els ensamblatges d’aquest tipus de pèptids es pot controlar de manera reversible mitjançant la manipulació del pH. Finalment, la última part de la tesi es focalitza en l’estudi de les propietats citotòxiques dels ensamblatges solubles primerencs que poblen la reacció de fibril·lació de nanoestructures inspirades en prions funcionals.

En general, aquesta tesi destaca la potencialitat de les seqüències prion-like per a generar bionanomaterials, emfatitzant en la seva versatilitat i adaptabilitat funcional per a múltiples aplicacions biotecnològiques. També proposa que els estudis de bioseguretat haurien de ser implementats rutinàriament durant el desenvolupament de nanomaterials basats en amiloides.

Pese a que el ensamblaje amiloide se ha relacionado tradicionalmente con las enfermedades, en las últimas dos décadas, se ha destacado su implicación en importantes funciones biológicas. Estos hallazgos han incrementado el interés por el desarrollo de nanomateriales inspirados en amiloides en múltiples áreas como la biomedicina, la nanoelectrónica, las ciencias medioambientales o la nanotecnologia. La complejidad de la producción y manipulación de proteínas amiloides completas ha manifestado la necesidad de obtener bloques alternativos que mimeticen sus propiedades para el ensamblaje de nanomateriales basados en amiloides. El uso de péptidos cortos naturales o sintéticos ha surgido como una de las soluciones más atractivas, la síntesis de los cuales resulta más fácil, rápida y barata en comparación con las secuencias completas. Los priones y las proteínas prion-like muestran velocidades de agregación más lentes en comparación con los amiloides clásicos y, en determinadas condiciones, el proceso puede ser reversible, dos propiedades que las hacen más atractivas para el desarrollo de nanomateriales. Pese a esta potencialidad, el diseño de novo y la síntesis de péptidos cortos inspirados en priones para aplicaciones nanotecnológicas no se ha explorado hasta hace poco tiempo.

En esta tesis, se recogen una serie de estudios en referencia al diseño y la caracterización de nanomateriales sintéticos inspirados en priones. Se ha explorado la capacidad de los péptidos cortos diseñados basados en la composición de los priones para polimerizar en agregados amiloides y se han estudiado las interacciones moleculares que permiten su organización supramolecular. Además, se han ilustrado algunas de sus potenciales aplicaciones, explorando sus propiedades biocatalíticas, su acoplamiento al sistema biotina-estreptavidina i su decoración con cationes metálicos divalentes. También se ha explorado como los ensamblajes de este tipo de péptidos se puede controlar de manera reversible mediante la manipulación del pH. Finalmente, la última parte de la tesis se focaliza en el estudio de las propiedades citotóxicas de los ensamblajes solubles iniciales que pueblan la reacción de fibrilación de nanoestructuras inspiradas en priones funcionales.

En general, esta tesis destaca la potencialidad de las secuencias prion-like para generar bionanomateriales, enfatizando en su versatilidad y adaptabilidad funcional para múltiples aplicaciones nanobiotecnológicas. También se propone que los estudios de bioseguridad deberían ser implementados rutinariamente durante el desarrollo de nanomateriales basados en amiloides.

Despite amyloid scaffolds have been traditionally related to disease, in the last two decades, it has been highlighted their involvement in important biological functions. These findings raised the interest in the development of amyloid based nanomaterials in multiple areas like biomedicine, nanoelectronics, environmental sciences and nanotechnology. The complexity of the production and manipulation of amyloidogenic full-length proteins evidenced the need for alternative building-blocks that mimic their properties to assemble amyloid-based nanomaterials. The use of natural and artificial short peptides has emerged as one of the most appealing solutions, their synthesis and purification resulting easier, faster and cheaper compared to complete protein sequences. Prion and prion-like proteins present a slow aggregation rate compared to classical amyloids and, under certain conditions, the assembly process can be reverted, two properties that make them attractive for the development of nanomaterials. Despite this potentiality, the de novo design and synthesis of short prion-inspired peptides for nanotechnological purposes has been scarcely explored until recent time.

In this thesis, we collect a series of studies regarding the design and characterization of synthetic prion-inspired nanomaterials. We addressed the capacity of designed short peptides to polymerize into amyloid assemblies and studied the molecular interactions behind their supramolecular organization. Furthermore, we illustrated some of their potential applications exploring their biocatalytic properties, their coupling with the biotin-streptavidin system and their decoration with divalent metallic cations. We also explored how the assembly of this kind of peptides can be controlled in a reversible manner by manipulating the environmental pH. Finally, the last part of this thesis focused on the study of the cytotoxic properties of the early soluble assemblies that populate the fibrillation reaction of functional prion-inspired nanostructures.

Overall, this thesis highlights the potentiality of prion-like peptidic sequences to generate bionanomaterials, emphasizing their functional versatility and adaptability for multiple nanotechnological applications. It also proposes that biosafety studies should be routinely implemented during the development of amyloid-based nanomaterials.