Estudio estructural y supramolecular de pequeñas moléculas de relevancia biológica : síntesis de materiales bioinspirados y sus potenciales aplicaciones

• Autores: Movilla, Federico
• Año de publicación: 2024
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Di Salvo, Florencia
• Materia: QUIMICA SUPRAMOLECULAR; MATERIALES BIOINSPIRADOS; AMINOACIDOS; PURINAS; FIBRAS AMILOIDES; CRISTALES FLEXIBLES; SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY; BIOINSPIRED MATERIALS; AMINO ACIDS; PURINES; AMYLOID FIBRILS; FLEXIBLE CRYSTALS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La química supramolecular es definida como “la química más allá de una molécula” y se basa en el estudio de las interacciones no covalentes que puede desarrollar una molécula, con su entorno. Un importante número de fenómenos biológicamente relevantes, como el correcto plegamiento de ciertas proteínas, la especificidad catalítica de las enzimas, y la síntesis de materiales biogénicos con roles bien definidos, están regidos total o parcialmente por la naturaleza de la interacción no covalente entre las moléculas involucradas en el proceso. Asimismo, muchos de los mecanismos a través de los cuales se desarrollan diversos eventos fisicoquímicos, como la separación de fases en una solución, el desarrollo de sistemas organizados no-covalentes, como micelas y cristales líquidos, o los procesos de selección de enantiómeros en las síntesis asimétricas, para nombrar solo algunos ejemplos relevantes, también están gobernados por la química supramolecular. Este rol ubicuo y fundamental de la química supramolecular en tantas y tan diversas ramas de la ciencia despertó un interés especial en el desarrollo de nuevas herramientas para su estudio y predicción. Al mismo tiempo, desde hace unas décadas se han propuesto múltiples maneras de abordar el estudio de la relación que existe entre la estructura molecular, la química supramolecular y las propiedades de una dada especie química, lo cual sentó las bases del diseño racional de estructuras moleculares con propiedades específicas. Con la finalidad de contribuir a desenmarañar el entramado de factores que pueden afectar la química supramolecular de un sistema, y alterar la interacción con su entorno, durante este trabajo de tesis doctoral se diseñaron y sintetizaron varias familias de moléculas derivadas de aminoácidos y aldehídos de interés biológico, y se investigó su química supramolecular al ser sometidas a distintas condiciones experimentales. En particular, se exploró la capacidad de estas moléculas de desarrollar fases sólidas ordenadas y se estudiaron las propiedades en solución empleando solventes de diversa naturaleza. Esto dio como resultado la obtención de distintos materiales supramoleculares como cristales, mesoestructuras, y organogeles. Para cumplir con los objetivos propuestos se emplearon diferentes técnicas espectroscópicas, difracción y dispersión de rayos X, microscopía confocal y de luz polarizada, y cálculos de estructura electrónica empleando la teoría del funcional de densidad (DFT). El parentesco observado entre los ensamblajes supramoleculares desarrollados por estos derivados de aminoácidos con las estructuras del tipo amiloide, y el impacto que este tipo de nanoestructuras patológicas ha despertado en los últimos años, motivó el estudio de la capacidad amilogénica de estos compuestos. Se estudió el potencial carácter citotóxico de los filamentos elongados obtenidos en condiciones fisiológicas sobre neuroblastos de ratón no diferenciados empleando microscopía confocal de imagen de tiempo de vida de fluorescencia resuelta en el tiempo. Para algunos de los compuestos se pudo observar el desarrollo del proceso de apoptosis en las células y la presencia de estructuras filamentosas en la matriz extracelular. Por último, se estudiaron las propiedades estructurales, mecánicas y ópticas de monocristales obtenidos a partir de diferentes fases cristalinas derivadas de las purinas adenina, guanina y cafeína. El análisis estructural se llevó a cabo mediante técnicas de difracción de rayos X, simulaciones por DFT y el estudio de las redes de energía desarrolladas en cada sistema, lo que permitió comprender la relación entre el empaquetamiento cristalino, las interacciones intermoleculares y las propiedades mecánicas observadas (fragilidad, flexibilidad plástica o elástica, dependiendo del sistema). Estos resultados proveen, además, las herramientas predictivas necesarias para el diseño de nuevos sólidos cristalinos bioinspirados. Asimismo, se obtuvieron nuevos materiales cristalinos híbridos empleando las fases sólidas de las purinas como huéspedes de colorantes incorporados de forma intracristalina. Estos nuevos materiales presentaron una respuesta mecánica y óptica muy innovadora.
Supramolecular chemistry is defined as the “chemistry beyond the molecule” and is focused on the comprehension of the nature of the interaction between a molecule, with its surroundings. A wide range of biologically relevant phenomena, as the correct folding of proteins, the specific catalytic activity of enzymes, and the development of biogenic materials with specific purpose, are totally or partially, modulated, by the interactions between the molecules involved in each process. Moreover, multiples events in other fields of science, such as the phase separation in precipitation process, enantiomeric selection during asymmetric reactions, or the development of hierarchical no-covalent ordered aggregates as micelles or liquid crystals, are also ruled by the supramolecular chemistry. This ubiquitous and fundamental role of supramolecular chemistry in different fields of science has attracted a special interest in the development of new tools for its study. Simultaneously, in the last decades, multiples approaches have been proposed to understand the relationship between molecular structure, supramolecular behavior, and the properties of a substance, which have settled the bases for the rational design of molecular structure with specific properties. In spite of unraveling the complex network of factors that could be affecting the supramolecular chemistry of a certain chemical species and also, the ones that are ruling the interaction between the molecule and its surrounding, during this doctoral thesis different families of amino acid-based compounds derivatized with biologically relevant aldehydes, have been design and synthetized, and its supramolecular chemistry have been fully investigated under different experimental conditions. In particular, the ability of these molecules to develop ordered solid phases, such as single crystals and mesostructures, was investigated, and also, the properties in solution were studied using different solvents, what gave place to multiples organogeles. To achieve the objectives of the work, several characterization techniques have been employed, as spectroscopies, X-ray diffraction and dispersion, light-polarized and confocal microscopy, and electronic structure calculation using density functional theory (DFT). Structural similarities between the supramolecular aggregates developed by these molecules and the structures reported for amyloid-forming substances, in addition with the huge impact that these kinds of pathologic nanostructure have shown in the last decade, motivated the study of the amylogenic capability of these compounds. The capability of developing supramolecular filaments with cytotoxic effect under physiological conditions was studied by fluorescence lifetime imaging microscopy on undifferentiated mouse neuroblasts. For some of the tested compounds, the cell apoptosis process was observed in the presence of elongated filaments on the extracellular matrix. Lastly, the structural, mechanical and optical properties of single crystalline materials obtained for different solid phases of the purines adenine, guanine and caffeine, was studied. Structural analysis was performed employing X-ray diffraction techniques, with the complement of DFT and Energy Framework calculations, which contributed to the understanding of the relationship between crystal packing, non-covalent interactions, and the observed mechanical properties (brittleness, plastic, or elastic flexibility, depending on the system). These results provided the tools to rationally design new bioinspired crystalline materials. Furthermore, a set of new hybrid crystalline materials were obtained due to the capability of these solid phases to act as host of dyes. Characterization showed that these dyes were allocated intracrystallinely inside the structure. Additionally, these new crystalline materials showed remarkable mechanical and optical response.
Fil: Movilla, Federico. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.