Disulfide-based dynamic combinatorial libraries of macrocyclic pseudopeptides as bio-inspired complex chemical systems

dc.contributor
Universitat de Barcelona. Facultat de Química
dc.contributor.author
Atcher Ubiergo, Joan
dc.date.accessioned
2015-08-27T07:38:45Z
dc.date.available
2016-01-24T06:45:18Z
dc.date.issued
2015-07-28
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/10803/305491
dc.description
Tesi realitzada a l'Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC)
cat
dc.description.abstract
Dynamic combinatorial chemistry proposes the creation of a library of compounds (dynamic combinatorial library, DCL) inter-connected through reversible chemical processes. The concentrations in a DCL are determined by differences in the free energy between the constituents and, therefore, the variations in the composition of the library contain valuable information about changes in the stability of the members. The adaptive nature of DCLs can be intimately correlated with a very simple expression of molecular evolution. The main objective of this thesis is to use DCLs as bio-inspired complex chemical systems for the minimalistic experimental modeling of different processes of biological interest. In Chapter 1, fourteen new pseudopeptidic dithiols were designed, synthesized and fully characterized in order to be used as bipodal building blocks (BBs). Their design is based on a C2-symmetric scaffold consisting of a central m-phenylenediamine chromophore that rigidly joins two identical arms, each formed by an amino acid with a mercaptoacetyl moiety attached to the N-terminus. The pseudopeptidic nature provides the BBs with peptide-like information, differently charged functional groups and chiral information. In Chapter 2, suitable experimental conditions were developed for the generation of disulfide-based DCLs from the mixture of the synthesized BBs. For this purpose, the use of DMSO as a co-solvent has beneficial effects in the thiol-disulfide dynamic covalent chemistry. Apart from the general gain in the aqueous solubility of the organic molecules, it promotes the thiol oxidation, highly reducing the reaction time for the disulfide formation. Besides, it accelerates the disulfide exchange, allowing the system to fully equilibrate even at slightly acidic pH. In Chapter 3, a minimalistic DCL was used to reproduce adaptive trends described for the evolution of biological systems. Thus, the addition of salt to a dynamic library of macrocyclic pseudopeptides induces the amplification of those species concentrating anionic amino acids, with the Asp derivatives showing a better salt-adaptation than the Glu counterparts. Structural studies suggest a folded conformation for the amplified members and reveal the selection of those species showing a smaller accessible surface area. The adaptive process is driven by the increase of the ionic strength and has a remarkable resemblance with the natural evolution of the proteins of halophilic microorganisms for surviving in hypersaline media. In Chapter 4, the same external stimulus was studied in a larger DCL consisting of 21 differently charged dimeric macrocycles. The salt-induced adaptation of this complex system was characterized in a top-down fashion by the dynamic deconvolution into the minimal components. Additionally, structural studies were performed for selected species. The salt-response of the members of the library can be classified in different families attending to the charges, and the behavior of each member is determined by a combination of its structural information and the co-adaptive relationships with the other members of the complex network. Finally, in Chapter 5, a simple DCL consisting of homo- and heterochiral dimeric pseudopeptides was used to study how the chiral information is transmitted from the molecular to the macromolecular level. A decrease in the polarity of the medium induces a homochiral self-sorting process driven by polar intramolecular interactions. Additionally, the homochiral selectivity also increases with the temperature, indicating a positive entropic contribution. Preliminary NMR experiments suggest significantly different conformations for the homo- and heterochiral species. Overall, the adaptive nature of DCLs, together with a suitable bio-inspired design, have demonstrated to allow the minimalistic experimental modeling of different processes of biological interest such as the natural evolution of the halophilic proteins, the co-adaptive relationships in a complex network and the homochiral self-sorting phenomenon.
eng
dc.description.abstract
Les quimioteques dinàmiques (DCLs de “dynamic combinatorial libraries”) estan formades per una mescla de compostos interconnectats per mitjà de processos químics reversibles. Aquests sistemes dinàmics presenten la capacitat d’adaptar la seva composició a la presència d’un estímul extern. L’objectiu principal d’aquesta tesi és utilitzar DCLs com a sistemes químics complexos pel modelatge experimental de diversos processos d’interès biològic. En el Capítol 1 es van dissenyar, sintetitzar i caracteritzar catorze ditiols amb informació estructural de tipus peptídic, cadenes laterals amb diferents càrregues i informació quiral. A continuació, en el Capítol 2, es van establir unes condicions experimentals adequades per a generar DCLs de disulfurs a partir de l’oxidació dels ditiols sintetitzats. En aquest sentit, l’ús de DMSO com a codissolvent orgànic va demostrar tenir una sèrie d’efectes beneficiosos. Seguidament, en el Capítol 3, es va utilitzar una DCL minimalista de disseny bioinspirat per a reproduir tendències adaptatives pròpies de processos evolutius biològics. Així, es va observar que els canvis que provoca l’increment de la salinitat en la composició d’una DCL de pseudopèptids macrocíclics, tenen una notable similitud amb l’evolució natural de les proteïnes dels microorganismes halòfils. En el Capítol 4 es va estudiar l’efecte del mateix estímul extern en la composició d’una DCL complexa formada per espècies amb diferents càrregues. S’evidencià que el comportament de cada membre de la quimioteca està determinat per la seva informació estructural i per les múltiples relacions coadaptatives que aquest estableix amb la resta de membres de la xarxa molecular. Finalment, en el Capítol 5, es va utilitzar una DCL minimalista formada per espècies estereoisomèriques per estudiar el fenomen d’autoordenació homoquiral.
cat
dc.format.extent
369 p.
cat
dc.format.mimetype
application/pdf
dc.language.iso
eng
cat
dc.publisher
Universitat de Barcelona
dc.rights.license
ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
dc.source
TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
dc.subject
Química supramolecular
cat
dc.subject
Supramolecular chemistry
cat
dc.subject
Química combinatòria
cat
dc.subject
Química combinatoria
cat
dc.subject
Combinatorial chemistry
cat
dc.subject
Anàlisi de pèptids
cat
dc.subject
Analisis de péptidos
cat
dc.subject
Analysis of peptides
cat
dc.subject
Enllaços químics
cat
dc.subject
Enlaces químicos
cat
dc.subject
Chemical bonds
cat
dc.subject.other
Ciències Experimentals i Matemàtiques
cat
dc.title
Disulfide-based dynamic combinatorial libraries of macrocyclic pseudopeptides as bio-inspired complex chemical systems
cat
dc.type
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.type
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.subject.udc
54
cat
dc.contributor.director
Alfonso Rodríguez, Ignacio
dc.contributor.tutor
Romea, Pedro
dc.embargo.terms
6 mesos
cat
dc.rights.accessLevel
info:eu-repo/semantics/openAccess
dc.identifier.dl
B 22269-2015
cat


Documents

02.JAU_ANNEX.pdf

5.505Mb PDF

JAU_PhD_THESIS.pdf

11.07Mb PDF

This item appears in the following Collection(s)