Synthetic Analogues of Intrinsically Disordered Polypeptides : Copolymerization, Sequence-Control and Stimuli-Responsiveness - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2023

Synthetic Analogues of Intrinsically Disordered Polypeptides : Copolymerization, Sequence-Control and Stimuli-Responsiveness

Analogues Synthétiques de Polypeptides Intrinsèquement Désordonnés : Copolymérisation, Contrôle de Séquence et Réponse aux Stimuli

Mostafa Badreldin
  • Function : Author
  • PersonId : 1337179
  • IdRef : 275016536

Abstract

Proteins are the most diverse class of natural biomacromolecules, and they carry out many different roles in living biology. Their diverse functional and structural portfolio is made up of only 20 different types of monomers, naturally occurring amino acids. Mimicking the chemical structure of proteins by producing synthetic poly(amino-acids) is thus of great interest to produce highly functional, biodegradable and biocompatible materials. The most economical and efficient way to produce high molecular weight amino-acid based polymers is through the ring opening polymerization (ROP) of amino acid N-carboxyanhydrides (NCAs). This polymerization is very similar to classical ROP and can be easily scaled up in synthetic chemical facilities. The goal of this PhD is to be able to mimic the structure and properties of intrinsically disordered proteins (IDPs). The sequence of amino acids in IDPs is relatively simple compared to other regions of the proteome and is characterized by highly repeating patterns. These simple protein structures are considered an easy first step to mimic proteins through polymerization procedures. The primary sequence of these proteins must first be replicated in a polymerization process. This PhD work presents the preparation of statistical copolymers via the ring opening copolymerization (ROCOP) of NCAs to produce polypeptide polymers with a stochastically controlled monomer sequence. This technique aims to enrich the frequency with which desirable monomer sequences appear in the overall sequence distribution. Kinetic studies of a model copolymerization system comprising glycine (a disorder-inducing monomer) and a protected glutamate were used to calculate their respective reactivity ratios. Reaction conditions (solvent, temperature, catalysis) were varied to enrich the resulting copolymers with different monomer sequences and composition profiles. Their consequent effect on the macromolecular properties, notably solubility and secondary structure, was further analysed. Stimuli-responsive polypeptides were then studied, focusing on thermoresponsive polymers. Like glycine, proline units are common in IDPs. The synthesis of high molecular weight and controlled PLPs via the recently developed water-assisted mechanism led to the study of the little-explored thermoresponsive behaviour of these polymers, which exhibit an unusually broad hysteresis. The structure, chirality and secondary structuring were found to be the underlying reason for this property. This behaviour was exploited to produce simple memory driven formulations such as temperature probes or programable hydrogels. Elastin-like polypeptide (ELP), a thermoresponsive IDP that contains both glycine and proline units, has a lower critical solution temperature (LCST) close to body temperature (37°C) and is used in many biomedical applications. This class of IDP is extensively studied in the laboratory and was chosen as a model IDP to be mimicked. Using the knowledge accumulated from previous studies, the copolymerization of proline with glycine to fine tune the thermoresponsive behaviour was first explored. It was found that the water-assisted ROP mechanism produced copolymers with a strong gradient that showed similar LCST behaviour to polyproline. Lower molecular weight copolymers showed block-like structures and formed thermoresponsive nanoparticles. Terpolymerizations of glycine, proline and valine were further explored to mimic the behaviour of ELP but the use of water-assisted ROP limited the range of accessible compositions. Finally, other ROP mechanisms were explored including organocatalysis and organometallic catalysis. These systems will allow to obtain proline containing copolymers with highly tuneable thermoresponsivness.
Les protéines sont une classe très importante de biomacromoléules naturelles. Elles remplissent de nombreuses fonctions dans les systèmes vivants mais sont composés de seulement 20 types d’acides aminés. Mimer la structure chimique des protéines en produisant des polypeptides synthétiques est d’un grand intérêt pour produire des matériaux fonctionnels, biodégradables et biocompatibles. Le moyen le plus économique et le plus efficace pour produire des polymères à base d’acides aminés est la polymérisation à ouverture de cycle des N-carboxyanhydrides (NCA) dérivés de ces acides aminés. L’objectif de cette thèse de doctorat a été d’imiter la structure et les propriétés de protéines intrinsèquement désordonnées en utilisant cette polymérisation. La séquence des acides aminés dans ces protéines est relativement simple si on la compare à d’autres régions du protéome et se caractérise par des séquences répétitives enrichies en glycine et en proline. En utilisant les monomères NCA dérivés de ces deux acides aminés, ce travail de doctorat développe la préparation de copolymères statistiques par copolymérisation pour produire des polypeptides avec une séquence monomère contrôlée stochastiquement. Un tel contrôle permet d’induire de manière statistique certaines séquences (AA, AB, BB) dans la distribution des monomères le long de la macromolécule. Les études cinétiques d’un modèle de copolymérisation comprenant de la glycine et un glutamate protégé ont d’abord permis de calculer leurs rapports de réactivité respectifs. Le contrôle des différentes conditions de réaction (solvant, température, catalyse) a permis d’orienter stochastiquement le système de copolymérisation vers différentes séquences en monomères. L’influence de cette séquence sur les propriétés macromoléculaires, notamment la solubilité et la structure secondaire, a ensuite été élucidé. Dans un deuxième temps, l’approche biomimétique basée sur la chimie des polymères a été utilisé pour reproduire la séquence de protéines thermosensibles riches en glycine et en proline. En biologie, les polypeptides de type élastine (ELP), sont des protéines thermosensibles qui présentent un caractère thermosensible proche de la température corporelle (37 °C) et sont donc utilisés dans de nombreuses applications biomédicales. Cette classe de protéine a donc été choisie comme modèle de séquence riche en glycine et en proline à mimer. Des homopolymères de polyproline (PLP) de poids moléculaires élevés ont d’abord été préparés en milieu aqueux et étudiés pour comprendre leur comportement thermosensible peu exploré et révélant une hystérèse exceptionnellement large. Avec ce polymère, la structure, la chiralité et la structuration secondaire sont des paramètres importants qui explique un effet mémoire qui a permis de produire des formulations originales telles que des sondes de température ou des hydrogels programmables. Dans des réactions de copolymérisations en milieu aqueux, introduire de la proline avec de la glycine permet d’affiner son comportement thermosensible. En réalisant la polymérisation dans l’eau, cette copolymérisation produit des macromolécules à gradient élevé dont on peut ajuster le comportement thermosensible. Ces copolymères s’auto-assemblent spontanément en nanoparticules thermosensibles. Des réactions de polymérisation plus complexes, des terpolymérisations entre la glycine, la proline et la valine ont ensuite été explorées pour mieux imiter le comportement des ELP, mais cette réaction a montré certaines limites et des problèmes de solubilités. Finalement, d’autres approches de polymérisation ont été explorés, y compris l’organocatalyse et la catalyse organométallique. Ces systèmes permettront d’obtenir des copolymères contenant de la proline avec une thermosensibilité plus modulable.
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Cite

Mostafa Badreldin. Synthetic Analogues of Intrinsically Disordered Polypeptides : Copolymerization, Sequence-Control and Stimuli-Responsiveness. Polymers. Université de Bordeaux, 2023. English. ⟨NNT : 2023BORD0268⟩. ⟨tel-04401395⟩
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