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Exploring dynamic peptide self-assemblies with solution-state NMR for biomimetic materials
Dörte Brandis
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Chemie
Betreuer*in
Dennis Kurzbach
DOI
10.25365/thesis.79606
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13846.20139.581519-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die strukturelle und dynamische Charakterisierung selbstassemblierender Peptide ist von großer Relevanz für die gezielte Entwicklung biomimetischer Materialien. Konventionelle Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) in Lösung stößt dabei jedoch an ihre Grenzen, insbesondere bei großen, heterogenen und dynamischen Peptidaggregaten, da Signalverluste durch Protonen- und Konformationsaustausch auftreten. Ziel dieser Arbeit war es, die Grenzen klassischer NMR-Ansätze mit Hilfe von drei Strategien zu überwinden: die direkte Detektion von Kohlenstoff-13, Methyl-Detektion, sowie kurze Pulssequenzen. Diese Strategien wurden am Beispiel von drei peptidbasierten Systemen, welche von hoher Relevanz für die Biomaterialforschung sind erprobt: einem Elastin-ähnlichen Polypeptid (ELP), dem Silikat-präzipitierenden Peptid R5 sowie einem Fusionskonstrukt aus beiden (ELP-R5). Für das ELP ermöglichten die Kohlenstoff-13-detektierten NMR Experimente die Untersuchung des Peptids in seiner kondensierten Phase. Im Gegensatz zur Protonendetektion lieferte diese Methode strukturelle und dynamische Informationen innerhalb der Aggregate und nicht nur von dem freien Peptid. Relaxationsmessungen zeigten sequenzspezifische Veränderungen durch die Aggregation und außerdem eine hohe interne Mobilität, wie sie für flüssigkeitsähnliche Kondensate charakteristisch ist. Im Fall von R5 wurde in Kombination mit molekulardynamischen (MD) Simulationen ein zweistufiger Selbstassemblierungsmechanismus aufgedeckt. Echtzeit-NMR-Experimente mit schnellen Pulssequenzen lieferten zusätzlich kinetische Einblicke in den Silica-Fällungsprozess. Weiterhin zeigten Relaxationsmessungen vor und nach dem Einkapseln in Silikat, ergänzt durch Elektronenspin-Resonanz-(EPR)-Spektroskopie und Tieftemperatur Magic-Angle-Spinning Dynamic-Nuclear-Polarization (LT-MAS-DNP) NMR, dass R5 auch im eingekapselten Zustand eine hohe interne Mobilität aufweist. Dies bildet die Grundlage für ein neues Modell, in dem R5-Assemblierungen während der gesamten Mineralisierung flüssigkeitsähnliche Eigenschaften haben. Abschließend wurde das ELP-R5-Fusionskonstrukt mittels Methyl-Detektion in Kombination mit Echtzeit-NMR untersucht. Diese Methode ermöglichte die Messung des Peptids innerhalb der Aggregate und nicht nur frei in Lösung. Offenbart wurden während der Silica-Fällung zwei Prozesse mit unterschiedlicher Kinetik, die zu einer bimodalen Partikelgrößenverteilung führten. Insgesamt zeigt diese Arbeit, wie fortgeschrittene NMR-Ansätze die Anwendungsmöglichkeiten der NMR Spektroskopie in Lösung für komplexe biomolekulare Systeme deutlich erweitern. Die entwickelten Methoden liefern neue Werkzeuge zur atomaren Aufklärung dynamischer Peptid-Selbstassemblierungen und leisten einen wichtigen Beitrag zum mechanistischen Verständnis von Biomineralisierungsprozessen.
Abstract
(Englisch)
The structural and dynamic characterization of self-assembling peptides is essential for advancing the rational design of biomimetic materials. However, conventional solution-state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy faces significant limitations when applied to large, heterogeneous, and dynamic peptide assemblies, particularly due to signal loss from proton and conformational exchange. The aim was to overcome the limitations of traditional NMR methods by employing three approaches: carbon-13 direct detection, methyl detection, and fast acquisition sequences. Using these methods, this thesis explores three peptide systems relevant to biomaterials research: an elastin-like polypeptide (ELP), the silica-precipitating peptide R5, and a fusion construct combining both (ELP-R5). For ELP, carbon-13-detected NMR enabled the investigation of the peptide within its condensed phase. Unlike proton detection, this method provided access to structural and dynamic information within the aggregates. Relaxation measurements revealed residue-specific changes upon aggregation and confirmed the retention of high internal mobility characteristic of liquid-like condensates. In the case of R5, carbon-13 detection combined with molecular dynamics (MD) simulations uncovered a two-step self-assembly mechanism. Real-time NMR using fast pulse sequences such as SOFAST HMQC experiments provided kinetic insights into the silica precipitation process. Additionally, carbon-13 relaxation measurements were used to probe R5 before and after silica encapsulation. Together with complementary techniques such as electron paramagnetic resonance (EPR) and Low-Temperature Magic-Angle-Spinning Dynamic-Nuclear-Polarization (LT-MAS-DNP) NMR, it was shown that R5 retains significant internal mobility even in the encapsulated state, supporting a model in which R5 assemblies preserve liquid-like properties throughout the mineralization process. Finally, the ELP-R5 fusion construct was studied using methyl-detected real-time NMR. This approach enabled monitoring of the peptide within aggregates, rather than just in the free state, and revealed two kinetically distinct processes during silica precipitation, resulting in a bimodal particle size distribution. Together, these studies demonstrate how advanced NMR strategies can extend the applicability of solution-state NMR to self-assembled, large biomolecular assemblies. The methods developed here provide new tools for probing dynamic peptide self-assemblies at atomic resolution and contribute valuable mechanistic insights into biomineralization processes.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
NMR Methoden Biomimetisches Material Design Peptide NMR
Schlagwörter
(Englisch)
NMR Methods Biomimetic Material Design Peptids NMR
Autor*innen
Dörte Brandis
Haupttitel (Englisch)
Exploring dynamic peptide self-assemblies with solution-state NMR for biomimetic materials
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
172 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Dariush Hinderberger ,
Anne Schütz
Klassifikation
33 Physik > 33.07 Spektroskopie
AC Nummer
AC17702189
Utheses ID
76199
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |