Molecular self-assembly of organic compounds by multiple noncovalent interactions is recognized as a promising bottom-up method to construct nanoscale materials. In particular, self-assembly of peptide scaffolds has been significantly investigated in order to understand the principle of protein folding and underlying mechanism of self-association of natural counterparts. Functional diversity and inherent biocompatibility of peptides afford a myriad of opportunities for the novel design of versatile nanomaterials. However, most of the precedent studies on self-assembly of natural peptides have displayed limited supramolecular morphologies such as tubes, fibers, sheets, and spheres. And intrinsic conformational flexibility of peptides often makes the assembly process complicated and elusive on a practical level. To extend the diversity of the three-dimensional shapes of self-assembled structures without any incidental complications, one should be able to establish a set of assembling components that can be directly linked to the su-pramolecular morphologies by governing parameters of self-assembly.
This dissertation treats the unusual and unprecedented three-dimensional molecular architectures by the self-assembly of non-natural $\beta$ -peptide foldamers. Homo-oligomers of trans-2-aminocyclopentanecarboxylic acid (trans-ACPC) well-known for the stable 12-helical secondary conformations and predictable intermolecular interactions were used as the building blocks of self-assembly. In the aqueous solution of nonionic surfactant pluronic P123, trans-ACPC heptamer and hexamer self-assembled into micron-sized unprecedented structures such as windmills, petals, square rods, and tooth shapes with very uniform shape and size distributions. And the supramolecular morphologies were readily controlled by the regulation of surfactant micelles. Surfactant micelles are considered to recognize the functional anisotropy of trans-ACPC oligomers to enhance or suppress the growth of specific facets. The mechanisms of self-assembly were suggested based on the observed supramolecular shape evolutions. Powder X-ray diffraction patterns and thermal properties of the assemblages were analyzed to verify the molecular arrangements inside the assembled structures. In case of the tooth-shaped assembly of trans-ACPC hexamer, it was revealed that four individual helical monomers constitute a superhelix in a unit cell of the assembly, similar to that found in the supercoiled structure of collagen. In addition, other types of shape evolution in self-assembled structures were observed by adjusting the assembling parameters. A number of polyhedral shapes such as square pyramids, rhombic dodecahedrons, and cuboids were obtained by the self-assembly of trans-ACPC hexamer and heptamer in a presence of ionic surfactant CTAB. These are the first examples of peptide self-assembly which exhibit finite and well-defined three-dimensional supramolecular structures with highly controllable features. The obtained unique three-dimensional molecular architectures were named “foldecture” as a compound of “foldamer” and “architecture”.
Interestingly, a series of self-assembled structures of $\beta$ -peptides were aligned in specific orientations by the external strong magnetic field to facilitate the hierarchical organization. The origin of magnetic alignment is thought to be torque generation from the diamagnetic anisotropy in crystal structures. Highly ordered organization of well-defined self-assembled structures of $\beta$ -peptide foldamers not only provides an insight for the higher-order structures found in natural proteins but is expected to be employed to create the anisotropic surfaces for a wide variety of potential applications.
A very short trans-ACPC tetramer with insufficient helical propensity self-assembled into well-defined microtubes with rectangular cross-section on surface by the evaporation-induced self-assembly (EISA) process. Conformational instability and heterogeneity of trans-ACPC tetramer in solution state were identified by 2D NMR and circular dichroism analyses. Surprisingly, single crystal X-ray diffraction and PXRD analyses revealed that the molecular arrangements in crystal and in the tubular assembly were essentially identical. In case of trans-ACPC hexamer, unusual hollow parallelopiped-shaped self-assembled structures were obtained by EISA process. Distinct pseudopolymorphism in the assembled structure and chiral expression at the supramolecular level were observed. Self-assembly of the analogues of trans-ACPC hexamer revealed the effect of terminal groups on the three-dimensional supramolecular morphology. Formation mechanisms of tubular assemblies of trans-ACPC tetramer and hexamer were suggested based on diffusion-limited mass transport.
This dissertation, which is about the novel self-assembly phenomena of unnatural $\beta$ -peptides, is ex-pected to contribute to the development of artificial functional complexes and diverse applications in biological and material science.
비공유 상호작용을 이용한 유기 화합물의 분자 자기조립은 나노 수준의 소재를 만들기 위한 유망한 상향식 접근법으로 인식되고 있다. 그 중에서도 펩타이드의 자기조립은 단백질의 폴딩 현상 및 천연물 자기조직화의 근본적인 원리를 이해하기 위한 방법으로써 많은 연구가 이루어졌는데, 펩타이드의 다양한 기능성과 높은 생체적합성은 다재다능한 나노소재의 디자인을 제공해 준다. 그러나 천연 펩타이드의 자기조립에 대한 선행연구의 대부분은 그 모양이 튜브나 선, 면이나 구형 등으로 제한되어 있었고, 펩타이드 고유의 구조적 유연성에 의해 자기조립 과정이 복잡하고 모호해지는 문제가 있었다. 부수적인 문제 발생 없이 자기조립 구조의 3차원적 다양화를 이루기 위해서는 자기조립 과정의 변수를 효과적으로 제어하고 초분자 모폴로지에 직접적으로 관여할 수 있는 자기조립 구성 요소를 확립하는 것이 필수적으로 요구된다.
본 학위논문은 비천연 베타-펩타이드 폴대머의 자기조립을 통한 매우 특이하고 전례 없는 3차원 분자 아키텍쳐의 합성에 관한 것이다. 안정한 12-나선 2차 구조와 예측 가능한 분자간 상호작용을 갖는 것으로 알려진 trans-2-aminocyclopentanecarboxylic acid (trans-ACPC) 호모올리고머를 자기조립의 빌딩블록으로 사용하였는데, 비이온성 계면활성제인 pluronic P123 수용액 조건에서 trans-ACPC 헵타머와 헥사머가 풍차, 꽃잎, 사각막대나 어금니 모양과 같은 전례 없고 크기와 모양이 매우 균일한 3차원의 마이크로구조체로 자기조립하는 것을 관찰하였다. 또한 자기조립체의 구조는 계면활성제의 미셀 제어에 의해 손쉽게 조절되는 것을 확인하였다. 이것은 계면활성제 미셀이 trans-ACPC 올리고머의 작용기 비등방성을 인식하여 특정 결정면의 성장속도를 늦추거나 촉진하기 때문인 것으로 생각되며, 관찰된 초분자 구조 변화를 바탕으로 자기조립의 메커니즘을 제시하였다. 각각의 자기조립체들에 대한 분말 X선 회절실험과 열물성 특성 분석을 통해 자기조립체 내부의 분자 구조를 제시하였고, 특히 trans-ACPC 헥사머의 경우 네 개의 나선 단위체가 단위정 안에서 콜라겐과 유사한 초나선 구조를 형성함을 확인하였다. 그밖에도 자기조립 변수 제어를 통해 다른 형태의 구조 변화가 일어남을 관찰하였는데, trans-ACPC 헥사머와 헵타머가 이온성 계면활성제인 CTAB 수용액에서 사각 피라미드, 사방 십이면체, 직육면체 등의 다면체 구조로 자기조립하는 것을 확인하였다. 이렇게 얻어진 독특한 3차원의 분자 아키텍쳐들은 외부 조건에 의해 손쉬운 제어가 가능할 뿐 아니라 그 크기가 유한하고 모양이 잘 정의된 최초의 펩타이드 자기조립으로써, “폴대머”와 “아키텍쳐”의 합성어인 “폴덱쳐”로 명명하였다.
흥미롭게도 일련의 베타-펩타이드 자기조립체들이 강한 외부 자기장에 의해 특정한 방향으로 정렬하고 이로 인해 계층적 자기조립을 이루는 것을 확인하였다. 이러한 자기장 정렬현상의 원인은 결정 구조 내부에 존재하는 반자기 비등방성에 의해 발생되는 토크라고 생각된다. 구조가 매우 명확한 베타-펩타이드 자기조립체의 규칙적인 조직화는 단백질의 고차구조에 대한 통찰을 제공해줄 뿐만 아니라 다양한 분야에 잠재적 응용성을 갖는 비등방성 표면 제작에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
용매 증발에 따른 자기조립 방법을 이용해 나선 구조를 이루기에는 짧은 trans-ACPC 테트라머가 사각형 단면을 갖는 마이크로튜브로 자기조립하는 것을 관찰하였다. 2D NMR과 원이색 실험을 통해 trans-ACPC 테트라머가 용액 상에서 구조적으로 불안정한 12-나선 구조를 이루는 것을 관찰하였는데, 놀랍게도 고체상의 단결정 및 자기조립체에서 분자구조가 근본적으로 일치하는 것을 회절 분석실험을 통해 확인하였다. trans-ACPC 헥사머의 경우 용매 증발에 따른 자기조립 방법을 이용해 희귀한 모양의 오목한 평행육면체가 얻어지는 것을 관찰하였다. 이 평행육면체는 부정규다형의 특이한 결정구조를 갖고 있으며 분자 수준에서의 키랄성이 마이크로 수준의 자기조립체에서도 나타나는 것을 확인하였다. 또한 trans-ACPC 헥사머의 유사체들에 대한 자기조립 실험을 통해 말단 작용기가 3차원 구조형성에 미치는 영향을 확인하였고, 확산 제한적 용질 전달에 기초하여 trans-ACPC 테트라머와 헥사머의 튜브형태 자기조립의 메커니즘을 제시하였다.
본 연구는 비천연 베타-펩타이드의 새로운 자기조립 현상에 대한 것으로써 인공 기능 복합체의 개발이나 다양한 생명 및 소재 과학 분야의 응용 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.
