FORMAZIONE DI PEPTIDI IN REGIME DI "ATOM ECONOMY"

The thesis work's aim is the synthesis of polypeptides by heterogeneous catalysis using two types of oxide nanomaterials. The interest towards this purpose stems from the so-called challenge "rethinking amide bond synthesis," (Bode e Pattabiraman, Nature, 480 (2011) 471-479). Indeed, in 2007 the American Chemical Society Green Chemistry Institute had defined the formation of the amide bond, avoiding reagents with low atom economy, as the biggest challenge for synthesis of organic molecules (D. J. C. Constable, P. J. Dunn, J. D. Hayler, G. R. Humphrey, J. L. Leazer, R. J. Linderman, K. Lorenz, J. Manley, B. A. Pearlman, A. Wells, A. Zaks, T. Y. Zhang, Green Chem (2007) 9, 411-420). The formation of the amide bond is one of the most important reactions of organic chemistry, also thanks to the increasing importance in the pharmaceutical field. Furthermore, the interest in the synthesis of peptides also arises from the multiplicity of functions that take place in the biochemical and physiological processes. A key aspect in this project is the use of Chemical Vapor Deposition (CVD), a solvent-free technique that does not require chemical activation of the reactants, and respect the requirements of the atom economy principle. A first part of the project has focused on the use of the just mentioned technique for the synthesis of omopeptides and eteropeptides of serine and histidine on the catalytic surface of the titanium dioxide; these two amino acids are directly involved in the cleavage reactions of the ester and peptide bond. Although a third amino acid, aspartate (Asp), forms a catalytic triad with the previous amino acids in the active sites of serine protease, lipase and esterase, the dyad Ser / His has been shown to be sufficient for the cleavage reaction (Y. Li, Y. Zhao, S. Hatfield, R. Wan, Q. Zhu, X. Li, M. McMills, Y. Ma, J. Li, K.L. Brown, C. He, F. Liu, X. Chen, Bioorg. Med. Chem. 2000, 8, 2675-2680). A second part was seen as a catalyst of interest silica on which, thanks to sublimation, were obtained polypeptide chains of glycine and alanine. The techniques used for the analysis of the products were primarily infrared spectroscopy, through which it was possible to monitor the growth of the peptide chains due to the variation of the characteristic bands of the amide bond, and mass spectrometry, to assess the length of the chains. Then, I tried to give a qualitative characterization of the secondary structure through the use of circular dichroism, focusing particularly on the chains obtained by the sublimation of the alanine in L and D, both on the surface of P25 and AOX50. Finally, the aim of this project is the development of a true methodology of synthesis to producing polypeptides in sufficient quantities to be characterized and tested as bio-catalysts. The data obtained are only a first step towards the realization of an experimental apparatus which can effectively enlarge on an industrial scale.

Questo lavoro di tesi è stato finalizzato alla sintesi di oligopeptidi (omo- ed etero-) mediante catalisi eterogenea utilizzando due tipologie di nanomateriali ossidici. L'interesse nei confronti di questo obiettivo nasce dalla cosiddetta sfida ¿rethinking amide bond synthesis¿, (Bode e Pattabiraman, Nature, 480 (2011) 471-479). Già alcuni anni prima, nel 2007, l'American Chemical Society Green Chemistry Institute aveva definito la formazione del legame ammidico, evitando reagenti con bassa atom economy, come una tra le principali sfide nel campo della sintesi di molecole organiche (D. J. C. Constable, P. J. Dunn, J. D. Hayler, G. R. Humphrey, J. L. Leazer, R. J. Linderman, K. Lorenz, J. Manley, B. A. Pearlman, A. Wells, A. Zaks, T. Y. Zhang, Green Chem (2007) 9, 411-420). La formazione del legame ammidico è infatti una delle reazioni più importanti della chimica organica, grazie anche alla crescente importanza nel campo farmaceutico. Inoltre, l'interesse verso la sintesi di peptidi nasce anche dalla molteplicità di funzioni che svolgono in processi biochimici e fisiologici. Un aspetto fondamentale in questo percorso è stato l'utilizzo della Chemical Vapor Deposition (CVD), una tecnica solvent-free che non richiede l'attivazione chimica dei reagenti, e che rispetta i requisiti del principio dell'atom economy. Una prima parte del progetto è stata incentrata sull'utilizzo della tecnica appena citata per la sintesi di omopeptidi ed eteropeptidi di serina e istidina utilizzando biossido di titanio come catalizzatore; questi due amminoacidi sono direttamente coinvolti in reazioni di scissione del legame estere e peptidico. Sebbene un terzo amminoacido, l'aspartato (Asp), formi una triade catalitica con i precedenti amminoacidi nei siti attivi della serin-proteasi, lipasi ed esterasi, la diade Ser/His ha mostrato di essere sufficiente per la reazione di scissione (Y. Li, Y. Zhao, S. Hatfield, R. Wan, Q. Zhu, X. Li, M. McMills, Y. Ma, J. Li, K.L. Brown, C. He, F. Liu, X. Chen, Bioorg. Med. Chem.2000, 8, 2675-2680). Una seconda parte ha visto come catalizzatore di interesse la silice sulla quale, sempre tramite sublimazione, si sono ottenute catene polipeptidiche di glicina e alanina. Le tecniche utilizzate per l'analisi dei prodotti ottenuti sono state principalmente la spettroscopia infrarossa, attraverso la quale si è potuto monitorare la crescita delle catene peptidiche grazie alla variazione delle bande caratteristiche del legame ammidico, e la spettrometria di massa, per valutare la lunghezza delle catene. Si è poi cercato di dare una caratterizzazione qualitativa della struttura secondaria tramite l'utilizzo del dicroismo circolare, focalizzandosi in particolar modo sulle catene ottenute dalla sublimazione della forma L e D dell'alanina, sia sulla superficie della P25, sia su quella dell'AOX50. Infine, lo scopo di questo progetto è la messa a punto di una vera metodologia di sintesi in grado di produrre polipeptidi in quantità sufficiente per essere caratterizzati e testati come bio-catalizzatori. I dati ottenuti sono solo un primo passo verso la realizzazione di un apparato sperimentale che può essere effettivamente ingrandito su scala industriale.