Supramolecular assembly of carbohydrate amphiphiles for biomedical applications

Abstract

Carbohydrates are involved in all essential processes within the life cycle of cells and organisms - they exert their bioactivities via simultaneous multivalent non-covalent interactions with other biomolecules. Supramolecular systems, therefore, provide the ideal means to generate polyvalent architectures for studying and modulating these interactions: the inherent reversibility of the self assembling process and the translation of monomers into polymers provides spatiotemporal control over ligand density and assembly architecture. This thesis demonstrates the versatility of simple carbohydrate amphiphiles as molecular building blocks for the assembly of biofunctional materials using different supramolecular approaches. Biocatalytic self-assembly (BSA) uses an enzyme transformation of the amphiphile as a trigger of the assembly process and was explored for the formation of chiral supramolecular structures (Chapter III) and as a therapeutical approach for cancer management (Chapters IV and V). A simple monosaccharide has five chiral centers in its cyclic form and five carbons at which an enzyme sensitive moiety can be introduced. In Chapter III, we show that the choice of the regioisomer influences the chirality of the assembled structure. In Chapters IV and V, we demonstrate that introducing carbohydrate moiety in the molecular design of the amphiphile allows the use of a single molecule to target simultaneously different features of cancer metabolism: the alkaline phosphatase overexpression that triggers the in situ BSA and the Warburg effect, associated with the overexpression of glucose transporters. In Chapter VI, we explored the possibility to create nanostructures with increasing complexity and chemical diversity, without compromising the function of the individual building blocks: co-assembly of simple peptide and carbohydrate amphiphiles was used to generate minimalistic proteoglycan mimics. Finally, the self-assembly of short glycopeptides was studied in Chapter VII as a reductionist approach towards understanding the role of glycosylation in protein folding and aggregation. These minimalistic models provide better understanding about the role of amino acids sequence and hydration in aggregates' formation and stability and, thus about the mechanism of the process at molecular level. Altogether, the results presented in this thesis manifest the multifarious utility of supramolecular carbohydrate systems in understanding and manipulating different physiological and pathological processes.

Os carboidratos estão envolvidos em processos essenciais no ciclo de vida das células e organismos – estes exercem as suas bioatividades com outras biomoléculas, por meio de interações simultanemamente multivalentes e não covalentes. Sistemas supramoleculares, representam meios ideais para criar arquiteturas polivalentes no estudo e modulação destas interações: a reversibilidade inerente do processo de automontagem e a tradução de monômeros em polímeros permite um controlo espaço-temporal sobre a densidade dos ligantes e a arquitetura de montagem. Esta tese demonstra a versatilidade de simples carboidratos anfifílicos como blocos de construção moleculares para a montagem de materiais biofuncionais usando diferentes abordagens supramoleculares. A automontagem biocatalítica (ASC) utiliza a transformação enzimática do anfifílico para desencadear o processo de montagem e foi explorada para a formação de estruturas supramoleculares quirais (Capítulo III) e como uma abordagem terapêutica para o tratamento do cancro (Capítulos IV e V). Um monossacarídeo simples possui cinco centros quirais na forma cíclica e cinco carbonos nos quais oide ser introduzido um grupo sensível à enzima. No capítulo III, mostramos que a escolha do regioisômero influencia a quiralidade da estrutura formada. Nos capítulos IV e V, demonstramos que a introdução de um carboidrato no desenho molecular do anfifílico permite atingir diferentes características do metabolismo do cancro simultaneamente: a sobrerexpressão da fosfatase alcalina que desencadeia a ASC in situ e o efeito Warburg, associada à sobrerexpressão dos transportadores de glucose. No Capítulo VI, exploramos a possibilidade de criar nanoestruturas com maior complexidade e diversidade química, sem comprometer a função individual dos blocos de construção: a co-montagem de simples peptidos e carboidratos anfifilos foi usada para gerar imitações minimalistas de proteoglicanos. Finalmente, a automontagem de glicopéptidos curtos foi estudada no Capítulo VII como uma abordagem minimalista para compreender o papel da glicosilação na conformação e agregação de proteínas. Estes modelos minimalistas conseguem explicar melhor o papel da sequência e da hidratação dos aminoácidos na estabilidade dos agregados formados e, deste modo, explicar o mecanismo do processo a nível molecular. No total, os resultados apresentados nesta tese demonstram a vantagem múltipla do uso de sistemas supramoleculares de carboidratos na compreensão e manipulação de diferentes processos fisiológicos e patológicos.