Nanoparticelle d'argento funzionalizzate con ligandi peptidici come nanosistemi enzima-mimetici per catalizzare le reazioni di idrolisi di esteri

Many living and non-living molecular structures in the natural world are extremely complex and are formed following a hierarchical bottom-up approach. But if the main players in biological systems, such as proteins, nucleic acids, and membranes, are examined in detail, one salient feature that emerges is their intrinsic simplicity. Polymers composted of only two tens of amino acids, or of four nucleotides, with a limited selection of organic functional groups are in many case the principal component of almost any large biological entity. Apparently, what matters is not chemical complexity but the ability of precisely control the spatial arrangement and organization of relatively simple building blocks. The importance of mastering spatial arrangement of functional groups appears in all its evidence when the 50-years efforts devoted to biomimetic chemistry are considered. Enzymes result from the assembly of different amino acids in a process that leads to a very well-defined structure responsible for great stability and catalytic properties. Native enzymes possess turnover rates and selectivity unparalleled by their non-biological counterparts, including chemo-, enantio- and site-selectivity. As an example, it may appear quite easy to reproduce the catalytic triad “Asp-His-Ser” present in many hydrolytic enzymes, but after several attempts, no artificial systems have yet shown a reactivity that may approach that of the enzyme. Thus, it emerges how the capacity to anticipate and control the structural organization, and consequently, the chemical behavior of large structures is still a challenge for chemists. This becomes particularly true if we sought to reproduce large tridimensional structures such those of enzymes or larger protein complexes by chemical synthesis. On our luck, in the attempt to reproduce nature mechanisms, we are not limited to imitate it, but we can use our chemical knowledge to explore new strategies. With this project we designed and realized an enzyme-inspired multivalent catalyst that is obtained from a fine tuning involving orientation, local hydrophobicity and spatial proximity of short peptide ligands which are patterned on the surface of monolayer-protected silver nanoparticles with the aim to reaching “catalytic triad” performance in chemical activity.

Nel mondo naturale esistono molte strutture molecolari dotate di elevata complessità e che si formano seguendo un approccio gerarchico definito “bottom-up”. Tuttavia, se si esaminano in dettaglio i principali componenti dei sistemi biologici, come le proteine, gli acidi nucleici e le membrane, una caratteristica saliente che emerge è la loro semplicità intrinseca. Molto spesso, una selezione limitata di gruppi funzionali organici è sufficiente a costituire i componenti principali di quasi tutte le grandi entità biologiche, come nel caso delle proteine, composte da una ventina di amminoacidi o come negli acidi nucleici, composti solamente dalla ripetizione di quattro nucleotidi. Apparentemente, ciò che conta non è la complessità chimica, ma la capacità di controllare con precisione la disposizione spaziale e l'organizzazione di elementi costitutivi relativamente semplici. L'importanza di padroneggiare la disposizione spaziale dei gruppi funzionali appare in tutta la sua evidenza se si considerano gli sforzi di 50 anni dedicati alla chimica biomimetica. Gli enzimi derivano dall'assemblaggio di diversi amminoacidi in un processo che porta ad una struttura molto ben definita, responsabile di grande stabilità e proprietà catalitiche. Gli enzimi nativi possiedono tassi di turnover e selettività senza pari rispetto alle loro controparti non biologiche, inclusa la chemio-, enantio- e sito-selettività. Ad esempio, potrebbe sembrare abbastanza facile riprodurre la triade catalitica “Asp-His-Ser” presente in molti enzimi idrolitici, ma dopo vari tentativi, nessun sistema artificiale ha ancora mostrato una reattività che possa avvicinarsi a quella enzimatica. Emerge così, come la capacità di anticipare e controllare l'organizzazione strutturale e, di conseguenza il comportamento chimico di grandi strutture, sia ancora una sfida per i chimici. Ciò diventa particolarmente vero se, mediante la sintesi chimica, cercassimo di riprodurre grandi strutture tridimensionali come quelle di enzimi o complessi proteici più grandi. Per nostra fortuna, nel tentativo di riprodurre i meccanismi della natura, non ci limitiamo ad imitarla, ma possiamo utilizzare le nostre conoscenze chimiche per esplorare nuove strategie. In questo lavoro abbiamo progettato e realizzato un catalizzatore multivalente ispirato agli enzimi, che è ottenuto da una messa a punto che coinvolge orientamento, idrofobicità locale e prossimità spaziale di corti ligandi peptidici, che vengono disposti sulla superficie di nanoparticelle d'argento, con l'obiettivo di raggiungere le prestazioni della triade catalitica per quanto riguarda l’attività chimica.