In nature, most organisms utilize molecular self-assembly to form supramolecular architectures that perform vital functions. The morphology of supramolecular architectures is closely related to their function. However, understanding and mimicking these morphologies still remains a challenge due to the complexity of the structures with the flexibility and dynamics of natural building blocks. β-peptide foldamers composed of cyclic β-amino acids exhibit rigid and well-organized secondary structures not found in nature due to intramolecular interactions induced by ring constraints of unnatural amino acids. Among these, a β-peptide foldamer ($ACPC_6$) composed of six trans-2-aminocyclopentane-1-carboxylic acids (trans-ACPC) exhibits high modularity with a rigid 12-helix and lateral hydrophobic area. Self-assembly of these peptides forms foldecture (foldamer+ architecture), which are three-dimensional supramolecular architectures that exhibit a unique shape.
In this thesis, we explored the effects of hydrophilicity and hydrophobicity on the self-assembly through the self-assembled architecture of highly modular β-peptides. For this purpose, we used $ACPC_6$ as a standard backbone to introduce hydrophilic and hydrophobic functional groups. The self-assembled architecture of foldamers introduced with hydrophilic ethylene glycol exhibited two-dimensional growth, and co-assembly with $ACPC_6$ realized directional growth control by hydrophilicity modulation. Furthermore, the foldamers introduced with hydrophobic difluoromethylene realized the various morphologies of foldectures due to hydrophobicity modulation depending on the position and number of introduced fluorine atoms. Our findings will provide guidance for the understanding of self-assembly to form supramolecular architectures and the rational design of directional biomimetic materials.
자연계에서 대부분의 유기체들은 분자 자기조립 과정을 통해 생명 유지에 필수적인 기능을 하는 초분자 구조체들을 형성한다. 초분자 구조체의 형태는 기능과 밀접한 관련이 있다. 그러나 이러한 형태를 이해하고 모방하는 것은 유연성 및 역동성과 더불어 자연 구성 요소의 복잡한 구조에 의해 여전히 도전적인 과제이다. 고리형 베타 아미노산으로 구성된 베타-펩타이드 폴대머는 비천연 아미노산의 고리 구속에 의해 유도된 분자내 상호 작용으로 인해 자연에서 보지 못하는 견고하고 잘 정렬된 이차 구조를 나타낸다. 그 중에서, 6개의 trans-2-aminocyclopentane-1-carboxylic acid (trans-ACPC)로 구성된 베타-펩타이드 폴대머($ACPC_6$)는 견고한 12-나선 및 측면 소수성 부분과 함께 높은 모듈성을 가진다. 이러한 펩타이드의 자기 조립은 독특한 모양을 나타내는 3차원적 초분자 구조체인 폴덱쳐 (폴대머+아키텍쳐)를 형성한다.
본 학위 논문에서는 모듈성이 뛰어난 베타-펩타이드의 자기조립체를 통해 친수성 및 소수성이 자기 조립에 미치는 영향을 조사했다. 이를 위해 $ACPC_6$를 기준 골격으로 사용하여 친수성 및 소수성 작용기를 도입했다. 친수성 작용기인 에틸렌 글라이콜이 도입된 폴대머의 자기 조립체는 이차원적 성장을 나타내었고, $ACPC_6$와의 공조립을 통해 친수성 변화에 따른 방향적 성장 조절을 구현하었다. 뿐만 아니라, 소수성 작용기인 다이플루오로메틸렌이 도입된 폴대머는 도입된 플루오린의 위치 및 개수에 따른 소수성 변화에 다양한 형태의 폴덱쳐들을 구현하였다. 우리의 연구 결과는 초분자 구조체를 형성하는 자기 조립의 이해 및 방향성을 갖는 생체모방 물질의 합리적인 설계를 위한 길라잡이가 될 것이다.
