Molecular self-assembly is a very useful method for the fabrication of nano- and microstructures through a bottom-up process. Nature utilizes controlled self-assembly process for the realization of highly sophisticated and complicated architectures such as nucleic acid helices, viruses, and cytoplasmic membranes. In particular, peptides play an important role in biological systems as components constituting proteins, and which consist of a variety of amino acids. Self-assembly of peptide scaffolds has been extensively studied to understand the principle of protein folding and the mechanisms of self-association of natural components. In addition, peptide architectures have received great attention as functional materials because of their high biocompatibility. However, most of the preceding studies on the self-assembly of natural peptides have shown limited and inhomogeneous supramolecular morphologies such as tube, sphere, sheet, and fibers. The reason is that the process of peptide self-organization is very complicated and difficult to control because of their intrinsic conformational flexibility. Therefore, our group used a foldamer which is unnatural peptide oligomer to effectively control the self-assembly process. Our group reported unprecedented and homogeneous three dimensional architectures such as windmills, square rods, molar tooth shapes by the self-assembly of unnatural β-peptide foldamers which are homo-oligomers of trans-ACPC (trans-2-aminocyclopentane carboxylic aicd) well known for the stable 12-helical secondary conformations and predictable intermolecular interactions.
This study, based on the possibility of potential applications and excellent self-organization characteristics of these foldamer, aims to develop more diverse forms foldectures and functionality based on three-dimensional structures of introducted of the functional group as a way to achieve this is using a simple hetero-foldamer strategy.
This dissertation contains information on the synthesis and features of the various three dimensional architectures with functionality by the self-assembly of α/β-peptide hetero-oligomers, and the realization of functional foldectures by introducing functional group at the molecular level.
Chapter I contains an introduction to peptide self-assembly, the phenomena of molecular self-assembly, foldamer and foldectures.
Chapter II offers the information for the synthesis and properties of various three-dimensional architec-tures by the self-assembly of diverse hetero-foldamers with different numbers of residues that contains 1:1-alternating sequence of Aib (α-amino isobutyric acid) and trans-ACPC as alpha- and beta-amino acids, respec-tively. The hetero oligomers of α/β-peptides are known to have flexible helical features of 11- and 14/15-helical conformations depending on the length of backbone residues. Foldecture generated by self-assembly of the het-ero-oligomer appear to show relatively morphological flexiblility due to various factors such as type and concentration of peptide and surfactant solution. In particular, we obtained very interesting polyhedral architectures of trucated trigonal bipyramid with hollow interior by the self-assembly of α/β-heptamer. The results of structural analysis, found that the alignment of the crystal structure has 3-fold symmetry different from a general nano- and microstructures. Fluorescent dyes were encapsulated in the foldecture cavity during self-assembly and subsequently slowly released by the dissolution of a single, specific facet in response to aque-ous acid. We also have prepared a novel 3D architecture with triangular pyramid shaped morphology by the co-assembly of two anisotropic α/β-peptide foldamers, and discovered interesting optical property such as unprecedented birefringence phenomenon generated by unique crystal packing motif in the single foldecture. These successful co-assembly results will expect bring great advances in the self-assembly research field, since a variety of desired architecture could be obtained by using a number of building blocks. Although the foldecture prepared using chiral peptides have the same morphologies, but macroscopic helical structure was arranged in reverse form, and is expected to be applied optical and medical application fields.
자연계에서 널리 이용되고 있는 분자의 자기조립 현상은 상향식 공정을 이용한 나노 구조의 제조에 매우 유용한 방법으로 알려져 있다. 생체 시스템에서 단백질이나 세포 소기관처럼 상당히 복잡하면서도 정교한 구조들이 자기조립 방식을 이용하여 생성된다. 특히, 펩타이드는 단백질을 구성하는 구성 성분으로 생체 시스템에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있으며 다양한 아미노산들로 이루어져있다. 이러한 펩타이드를 이용한 자기조립은 단백질의 고차구조의 원리를 이해하기 위한 방법으로 많은 연구가 이루어 졌으며 높은 생체 적합성과 더불어 다양한 기능성 소재로 널리 주목을 받고 있다. 하지만 천연 펩타이드를 이용한 자기조립 구조들은 대부분 튜브나 구형 등의 상당히 단순하고 불균일한 제한적인 형태를 보였는데, 그 이유는 펩타이드 고유의 유연성으로 인해 자기조립 과정이 매우 복잡해지고 조절하기 힘든 특성을 가지고 있기 때문이었다. 펩타이드의 자기조립 과정을 효과적으로 제어하기 위해서 본 연구실에서는 비천연 펩타이드인 폴대머를 도입하여 전례 없고 매우 균일한 3차원의 마이크로 구조체를 마이크로 크기의 구조체를 구현하였고 폴대머를 이용한 3차원의 구조체를 폴덱쳐라 명명하였다. 기존 폴덱쳐 연구에서는 분자 내 수소결합으로 12-나선형의 안정된 2차 구조를 가진다고 알려진 trans-2-aminocyclopentane carboxylic aicd (trans-ACPC)의 베타-펩타이드의 호모 폴대머들을 빌딩블록으로 이용하였다.
본 연구에서는 이러한 폴대머들의 우수한 자기조립 특성과 잠재적인 응용 가능성에 기초하여, 보다 다양한 모양의 폴덱쳐 구현과 기능기가 부여된 3차원의 구조체 개발을 목표로 하였고 이를 실현 할 방법으로 기능기 도입이 용이한 헤테로 폴대머 전략을 이용하였다. 본 학위논문은 알파와 베타-펩타이드가 1:1의 교차 배열로 이루어진 비천연 펩타이드의 헤테로 올리고머를 자기조립의 빌딩블럭으로 이용하여 다양한 3차원 구조를 구현하고 분자 수준에서 기능기를 도입하여 기능화된 3차원 구조체의 합성과 특성에 대한 내용을 포함하고 있다. 1장에서는 분자의 자기조립현상, 펩타이드의 자기조립, 폴대머, 그리고 폴대머 자기조립체인 폴덱쳐에 대한 일반적인 소개를 다루고 있다.
2장에서는 알파 펩타이드로 Aib (α-amino isobutyric acid), 베타 펩타이드로 trans-ACPC를 이용하여 1:1의 교차 배열로 이루어진 다양한 길이의 헤테로 올리고머들을 합성하였고 이를 자기조립의 빌딩블록으로 이용하여 다양한 3차원 구조체들의 합성 및 특성에 대한 내용을 다루고 있다. 비 천연 알파/베타 펩타이드의 헤테로 올리고머들은 골격의 잔기 길이에 따라11-나선과 14/15-나선의 유연한 나선특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 이 폴대머들을 자기조립하여 생성된 폴덱쳐들은 펩타이드 용액의 농도, 종류, 첨가제의 농도와 종류 등의 다양한 요인에 따라 형태 변화의 자유도가 상대적으로 큰 특성을 보였으며 나선특성과 폴덱쳐의 형태는 밀접한 관련성을 보였다. 특히, 헵타머의 경우 상당히 흥미로운 내부가 빈 삼각뿔 모양의 다면체 구조를 얻을 수 있었으며 구조 분석 결과 결정구조의 정렬 형태가 일반적인 나노 및 마이크로 구조에서 보기 힘든3배위의 대칭성을 가지는 것을 알 수 있었고 이 결정구조의 배열이 거시적인 삼각뿔의 폴덱쳐 모양과 밀접한 관련성이 있음을 확인할 수 있었다. 내부에 빈 공간을 가지는 폴덱쳐는 자기조립 시 다양한 형광 재료를 첨가하여 내부에 형광 재료가 캡슐화된 폴덱쳐를 합성하였고 산 처리를 통해 기저면부터 천천히 제거되면서 형광재료가 방출되는 것을 명확하게 확인할 수 있었다. 이러한 폴덱쳐는 마이크로 컴파트먼트 또는 약물 전달 물질로의 잠재적인 응용성이 기대된다. 또, 비등방성의 단결정 구조가 다른 두 폴대머를 1:1의 비율로 공조립하여 새로운 모양의 TAP폴덱쳐를 성공적으로 합성하였고 이 공조립의 결과로 원하는 형태의 3차원 구조를 조절된 공조립을 통해 구현이 가능하다는 방법론을 제시하였다. 또한 TAP폴덱쳐는 광학실험에서 독특한 복굴절 현상을 관찰할 수 있었으며 이는 폴덱쳐의 독특한 비등방형의 결정구조에 의해 생기는 현상으로 판단하였다. 공조립의 결과로 폴덱쳐는 생화학적 응용을 넘어 광학 분야로의 높은 응용 가능성을 보였다.
