De novo DESIGN AND SYNTHESIS OF AN ICE-BINDING, DENDRIMERIC, POLYPEPTIDE BASED ON INSECT ANTIFREEZE PROTEINS / SÍNTESIS Y DISEÑO De novo DE UN POLIPÉPTIDO DENDRÍMERO CON UNIÓN AL HIELO BASADO EN LAS PROTEINAS ANTICONGELANTES DE INSECTOS / Síntes e desenhoo de novo de um polipetídeos dendrímero com uniâo ao gelo baseado nas proteínas anticongelantes de insetos

ABSTRACT

A new strategy is presented for the design and synthesis of peptides that exhibit ice-binding and antifreeze activity. A pennant-type dendrimer polypeptide scaffoíd combining an a-helical backbone with four short (β-strand branches was synthesized in solid phase using Fmoc chemistry in a divergent approach. The 51-residue dendrimer was characterized by reverse phase high performance liquid chromatography, mass spectrometry and circular dichroism. Each (β-strand branch contained three overlapping TXT amino acid repeats, an ice-binding motif found in the ice-binding face of the spruce budworm (Choristoneura fumiferana) and beetle (Tenebrio molitor) antifreeze proteins. Ice crystals in the presence of the polypeptide monomer displayed fiat, hexagonal plate morphology, similar to that produced by weakly active antifreeze proteins. An oxidized dimeric form of the dendrimer polypeptide also produced fiat hexagonal ice crystals and was capable of inhibiting ice crystal growth upon temperature reduction, a phenomenon termed thermal hysteresis, a defining property of antifreeze proteins. Linkage of the pennant-type dendrimer to a tri-functional cascade-type polypeptide produced a trimeric macromolecule that gave flat hexagonal ice crystals with higher thermal hysteresis activity than the dimer or monomer and an ice crystal burst pattern similar to that produced by samples containing insect antifreeze proteins. This macromolecule was also capable of inhibiting ice recrystallization.

RESUMEN

Una nueva estrategia se presenta para el diseño y síntesis de péptidos que se unen al hielo y evidencian actividad anticongelante. Un polipéptido dendrímero del tipo banderín, que combina en su estructura un núcleo a-hélice con cuatro ramificaciones cortas de hojas β, se sintetizó en fase sólida utilizando la química Fmoc con una estrategia divergente. El dendrímero de 51 residuos se caracterizó por cromatografía líquida de alta resolución, espectrometría de masas y dicroís-mo circular. Cada ramifcación de hoja β contiene tres repeticiones de los motivos de aminoácidos TxT sobrelapados, un motivo de unión al hielo presente en la cara de unión de las proteínas anticongelantes del gusano de brotes de abeto (Choristoneura fumiferana) y en el escarabajo (Tenebrio molitor). Los cristales de hielo en presencia del polipéptido monomérico presentan una morfología hexagonal plana, similar a la producida por las proteínas anticongelantes con una débil actividad. Un dímero oxidado del polipéptido también produce cristales de hielo hexagonales planos que fueron capaces de inhibir el crecimiento de los cristales de hielo a medida que se disminuía la temperatura, un fenómeno conocido como histéresis térmica, esto es, una propiedad que define las proteínas anticongelantes. La vinculación del dendrímero tipo banderín a un polipéptido tipo cascada trifuncional produjo una macro-molécula trimérica que generó cristales de hielo hexagonales planos con una mayor actividad de histéresis térmica que los dímeros y los monómeros y un patrón de estallido del cristal de hielo muy similar al producido por las muestras que contienen proteínas anticongelantes de insectos. Estas moléculas además fueron capaces de inhibir la recristianización del hielo.

RESUMO

Uma nova estratégia é apresentada para o desenho e síntese de peptídeos que se unem ao gelo e apresentam atividade anticongelante. Um polipeptídeo dendrímero do tipo pennant que combina em sua estrutura um núcleo a-hélice com quatro ramifcacoes curtas de folhas β foi sintetizado em fase sólida utilizando a química Fmoc com uma estratégia divergente. O dendrímero de 51 resíduos foi caracterizado por cromatografa líquida de alta resolução, espectrometria de massas e dicroísmo circular. Cada ramifcacao de folha (β contém três repeticoes dos motivos de aminoácidos TxT sobrepostos, um motivo de união ao gelo presente na cara de união das proteínas anticongelantes do verme de Choristoneura fumiferana e no escaravelho (Tenebrio molitor). Os cristais de gelo, em presença do polipeptídeo monomérico, apresentam urna morfologia hexagonal plana, similar à produzida pelas proteínas anticongelantes com uma atividade fraca. Um dímero oxidado do polipeptídeo também produz cristais de gelo hexagonais planos e fo-ram capazes de inibir o crescimento dos cristais de gelo à medida que a temperatura diminuia, um fenômeno conhecido como histerese térmica una propriedade que def ne as proteínas anticongelantes. A vinculação do dendrímero tipo pen-nant a um polipeptídeo tipo cascata tri-funcional produziu uma macromolécula trimérica que gerou cristais de gelo hexa-gonais planos com uma maior atividade de histerese térmica que os dímeros e os monómeros e um padrão de estouro do cristal de gelo muito similar ao produzi-do pelas amostras que contêm proteínas anticongelantes de insetos. Estas moléculas, aliás, foram capazes de inibir a recristalização do gelo.