Separazione di fase e aggregazione in fibrille nelle proteine: un approccio di campo medio

In this thesis the interplay between liquid-liquid phase separation (LLPS) and amyloid fibrillization in amyloid-prone peptides is investigated. Amyloid prone peptides are central to numerous neurological pathologies yet also function as essential units in diverse organisms, exhibiting peculiar physico-chemical properties. Of particular interest is the transient oligomerization intermediate, where a small number of peptides cluster and reversibly bind, giving rise to complex structures with weak symmetry. While a number of studies have so far focused on oligomerization within the broader interaction between LLPS droplets and amyloid fibrils, we approach this phenomenon through the framework of polymer field theory, a different tool from those otherwise employed. After outlining the key mechanistic and mesoscopical aspects of LLPS, amyloid fibrillization, and their coupling, we present the developmental trajectory. The theoretical tools employed are introduced — polymer field theories (PFTs) and related models — before proposing a minimal yet versatile and highly extensible model capable of capturing a range of geometrical and topological features of protein architecture and its hypothesized behavior in this context. Such model is studied under the lens of homogenous mean field ansatz (HMF) and linear response theory (RPA), finding encouraging predictions of finite wavelengths instabilities upsurge coincident with interspacing in amyloid fibrils. Finally, numerical methods for investigating the model are explored, focusing on self-consistent field theory (SCFT).

La presente tesi esamina il fenomeno di mutuo scambio e influenza tra fibrillazione amiloide e separazione di fase in proteine proni ad amiloidosi. Tali proteine sono biomarcatori dell’insorgenza di numerose patologie neurodegenerative ma posseggono allo stesso tempo un ruolo funzionale in condizioni fisiologiche, esibendo inoltre peculiari proprietà fisico-chimiche. Di particolare interesse è lo stato transiente di oligomerizzazione, nel quale le proteine non ancora completamente legate in reti rigide formano cluster locali parzialmente stabilizzati da legami reversibili principalmente deboli (legami a idrogeno, zipping sterico, complementarità elettrostatica e esclusione del solvente). Lo stato transiente di oligomerizzazione, studiato altrove con approcci diversi, viene qui analizzato mediante teoria di campo in fisica dei polimeri. Dopo aver introdotto aspetti termodinamicamente e molecolarmente rilevanti della separazione di fase liquido-liquido (LLPS), della fibrillazione amiloide e del loro mutuo interagire, si presenta lo scheletro matematico del nuovo modello. Partendo da un’introduzione circa gli strumenti utilizzati, per descrivere modelli di catene polimeriche, si considera un’estensione al caso di catene con ramificazioni finite, utile per rappresentare con precisione pseudo-atomistica e strutturale la catena peptidica; si costruisce quindi l’Hamiltoniana del modello proposto, studiandola sotto il punto di vista del campo medio omogeneo (HMF) e della risposta lineare (RPA). Trovandosi risultati circa la destabilizzazione del sistema su lunghezze d’onda finite si propongono e analizzano schemi numerici per studiare la teoria costruita nel caso completamente disomogeneo, con particolare attenzione agli approcci auto-consistenti (SCFT).