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Investigating the influence of modifications on R5-derived peptides in silica precipitation and immune stimulation
Martina Höllwarth
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Biologische Chemie
Betreuer*in
Christian Friedrich Wilhelm Becker
DOI
10.25365/thesis.75044
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-31225.55283.151477-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Synthese von biomimetischem Silica, gesteuert durch Silaffin-basierte Peptide, weckte aufgrund der milden Bedingungen das Interesse für mögliche Anwendungen in der Biomedizin und der Biotechnologie. Die Methode orientiert sich am Biomineralisationsprozess der Diatomeen, der unter anderem von stark modifizierten Silaffin Proteinen kontrolliert wird. Weitere Studien demonstrierten, dass R5, ein artifizielles Silaffin Derivat ohne posttranslationale Modifikationen, in Anwesenheit von Phosphat-Ionen die Bildung von Silica-Partikeln induziert. Detaillierte mechanistische Studien zeigten die bedeutende Rolle des Tetrapeptids RRIL innerhalb des R5 bei der Selbstassemblierung, einem Schlüsselschritt der Silica Präzipitation. Weitere Untersuchungen unserer Gruppe führten zur Beschreibung von zwei verzweigten Peptiden, und zwar K*(rrill)-RRIL und k*(rrill)-RRIL. Die RRIL-Motive sind durch eine Isopeptid-Bindung (*) miteinander verbunden und bilden in Lösung verschieden dichte Selbstassemblierungen, wodurch nach Zugabe von Kieselsäure Partikel unterschiedlicher Morphologie entstehen. Diese Arbeit untersucht den Einfluss von Modifikationen an den N-Termini der artifiziellen Silica-präzipitierenden Peptide K*(rrill)-RRIL und k*(rrill)-RRIL auf die Silica-Morphologie. Die Modifikationen umfassten die Kopplung des bakteriellen Gefahren-Signals Formyl- Methionin-Leucin-Phenylalanin (fMLF) über eine Polyethylenglykol (PEG3)-Kette an je eine verfügbare a-Aminogruppe, sowie weitere Modifikationen zur Bestimmung des individuellen Beitrags jedes Bausteins zur Silica-Partikel-Morphologie. Die Ergebnisse zeigten eine konsistente Bildung von kugelförmigen Partikeln bei der Verlängerung mit fMLF-PEG3, unabhängig von der Position im Peptid. Dies könnte auf den sterischen Anspruch und die Hydrophobizität der fMLF-Modifikation zurückzuführen sein, die die dichte Selbstassemblierung, erforderlich für stäbchenförmige, reduziert und somit zu kugelförmigen Partikeln führt. Die Studie wies auch auf einen potenziellen Beitrag des geladenen N-Terminus zur Selbstassemblierung und die darauffolgende Bildung einer definierten Morphologie hin. Ein faszinierendes Peptid, das sowohl kugel- als auch stäbchenförmiger Partikel bildet, wurde beschrieben und mittels Kernspinresonanz (NMR)- Studien analysiert. Die Untersuchung der Präzipitation deutete auf die Beteiligung von zwei Prozessen unterschiedlicher Kinetik hin. Die Wahl der fMLF-Modifikation erfolgte aufgrund der immunstimulierenden Eigenschaften durch Aktivierung des Formyl Peptid-Rezeptors (FPR). In Kombination mit Silica-Partikeln könnte dies als Impfstoff-Adjuvans dienen. Die Auswertung der Peptidaufnahme und -freisetzung ergab vielversprechende Resultate. Zudem wurde das immunstimulierende Potenzial mittels eines Dihydro-Rhodamin (DHR)- Assays nachgewiesen, indem die Fähigkeit zur Induktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS)-Produktion und FPR-Aktivierung demonstriert wurde.
Abstract
(Englisch)
The biomimetic silica formation process, driven by silaffin-based peptides and characterized by mild conditions, has garnered interest for its potential applications in biomedicine and biotechnology. The method is inspired by the biomineralization process in diatoms, that is modulated amongst others by the highly modified silaffin protein. It has been shown that the silaffin derived R5 peptide, lacking all posttranslational modifications, induces silica precipitation in the presence of phosphate ions. In depth mechanistical studies revealed that the RRIL tetrapeptide within R5 plays a crucial role in promoting self-assembly in solution, a key step in the silica formation process. Additional investigations by our group led to the discovery of two branched peptides containing the RRIL motif, namely K*(rrill)- RRIL and k*(rrill)-RRIL. The RRIL motifs are linked by an isopeptide bond (*) and form different compact self-assemblies in phosphate buffer, giving rise to distinct morphologies upon silicic acid addition. In this work the influence of modifications at the N-termini of the artificial silica-precipitating peptides K*(rrill)-RRIL and k*(rrill)-RRIL on silica morphology was further investigated. The modifications included coupling of the bacterial danger signal formyl-methionine-leucine- phenylalanine (fMLF) via a polyethylene glycol (PEG3) chain to either available a-amino group, as well as other modifications to assess the individual contributions of each building block to silica particle morphology. The results demonstrated that elongation with fMLF- PEG3 consistently resulted in spherical particles, irrespective of the position in the peptides. The steric bulk and hydrophobicity of the fMLF motif may interfere with the dense peptide self-assembly crucial for rod-shaped particles, resulting in less dense self-assembly and ultimately spherical particles. Additionally, the study revealed the potential impact of the charged N-terminus on self-assembly and the following formation of distinct morphologies. Moreover, an intriguing peptide capable of precipitating both spherical and rod-shaped particles was found and analyzed using nuclear magnetic resonance (NMR) methods, which suggested the involvement of two processes with different kinetics leading to the formation of two distinct morphologies. The fMLF modification was primarily selected due to its innate immune system stimulating properties by activating the formyl peptide receptor (FPR). Paired with silica particles as delivery systems, it could enhance vaccine responses as an adjuvant. The investigation of peptide incorporation and release within the particles showed promising outcomes. Additionally, the immune stimulating potential of both modified peptides and their corresponding particles was evaluated using a dihydro rhodamine (DHR) assay, illustrating their ability to induce reactive oxygen species (ROS) production and indicating FPR activation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Silica Partikel Morphologie Immunstimulation Impf-Hilfsstoff
Schlagwörter
(Englisch)
silica particles morphology immune stimulation vaccine adjuvant
Autor*innen
Martina Höllwarth
Haupttitel (Englisch)
Investigating the influence of modifications on R5-derived peptides in silica precipitation and immune stimulation
Paralleltitel (Deutsch)
Die Untersuchung des Einflusses von Modifikationen auf R5-abgeleitete Peptide bei der Silica-Präzipitation und der Immunstimulation
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
95 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christian Friedrich Wilhelm Becker
Klassifikationen
35 Chemie > 35.76 Aminosäuren. Peptide. Eiweiße ,
35 Chemie > 35.79 Biochemie. Sonstiges
AC Nummer
AC17037743
Utheses ID
69748
Studienkennzahl
UA | 066 | 863 | |