Amphiphilic peptide-based biomaterials are of great interest for pharmaceutical and biomedical applications and mainly associated with pronounced biocompatibility and biodegradability. In fact, introducing fluorine-containing amino acids into peptides & proteins offers an unique opportunity to enhance their biophysical properties such as membrane permeability. Through its influence on hydrophobicity and polarity, the degree of fluorination dictates the extent of fluorine-specific interactions on peptide folding and stability, intermolecular interactions, and biological activity. The first study of this doctoral thesis describes the folding, self-assembly, and hydrogelation of single-strand amphipathic peptides with different degrees of fluorination on the amino acid side chains by the iterative incorporation of monofluoroethylglycine (MfeGly), difluoroethylglycine (DfeGly), and trifluoroethylglycine (TfeGly). A combination of experimental and theoretical approaches proved a higher degree of side chain fluorination to promote β-sheet formation and the rheological stability of peptide-based hydrogels in physiological conditions, whereas secondary structure formation was inhibited at a low fluorine content due to fluorine-induced polarity. In a follow-up study, the selective modification of antimicrobial peptides (AMPs) by fluorinated amino acids was investigated. A β-hairpin-forming peptide motif, whose amphipathic structure enables the targeted disruption of bacterial cell membranes, was therefore examined. Extensive MIC screening with Gram-negative and Gram-positive bacteria confirmed highly fluorinated amino acids such as trifluoroethylglycine (TfeGly) or pentafluoropropylglycine (PfpGly) to strengthen the bioactivity of the AMPs through enhanced intrinsic hydrophobicity without causing a simultaneous increase in toxic & hemolytic properties. Numerous studies on the singular incorporation of fluorinated amino acids have been published to date, whereas synthetic peptides with larger or exclusive amounts of these building blocks remained unexplored. That drove the motivation for the herein-described development and characterization of so-called "fluoropeptides". In brief, β-sheet to α-helix or fluorine-induced PPII-helix transitions were observed in SDS-supplemented buffer (pH 7.4). In situ SEIRAS experiments with POPC:POPG-based membrane models functioned to investigate the fluoropeptide’s lipid insertion and (re)folding. Thus, the highest α-helical secondary structure content was found for the nonfluorinated homooligopeptide and decreased in the order of tri-, di-, and mono-fluorination of the side chains. An important focus of this doctoral thesis was the evaluation of biodegradability for especially higher polyfluorinated sequences. In fact, all peptides prepared in this work could be hydrolyzed by various proteases regardless of the fluorine content. In cooperation with the University College Dublin, first data on the microbial digestion of fluorinated peptides and individual amino acids could be generated. The enzyme-catalyzed cleavage of the C-F bond on the side chain for both kind of substrates was, for instance, proven by detection of released fluoride ions in solution. The results of this work will contribute to the rational design and potential application of polyfluorinated peptides, whose enzymatic degradability is going to be of great interest for the future development of fluorinated biomaterials.
Amphiphile peptidbasierte Biomaterialien sind vom großen Interesse für pharmazeutische und biomedizinische Anwendungen und überzeugen zumeist durch ihre Biokompatibilität und Bioabbaubarkeit. Die Einführung von fluorhaltigen Aminosäuren in Peptide & Proteine bietet hierbei die einzigartige Möglichkeit, ihre biophysikalischen Eigenschaften wie etwa die Membranpermeabilität zu verstärken. Insbesondere der Fluorierungsgrad spielt eine entscheidende Rolle, da er durch seinen Einfluss auf die Hydrophobie und Polarität die Gesamtheit fluor-spezifischer Wechselwirkungen auf die Peptidfaltung und -stabilität, intermolekularen Wechselwirkungen und biologische Aktivität steuern kann. Die erste Studie dieser Doktorarbeit beschreibt die Faltung, Selbstassemblierung und Hydrogelierung von einzelsträngigen amphipathischen Peptiden mit unterschiedlichen Fluorierungsgraden der Aminosäureseitenketten durch den iterativen Einbau von Monofluorethylglycin (MfeGly), Difluorethylglycin (DfeGly) und Trifluorethylglycin (TfeGly). Mittels einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Ansätzen konnte gezeigt werden, dass bei physiologischen Bedingungen ein höherer Fluorierungsgrad die Bildung von β-Faltblattstrukturen und die rheologische Stabilität der peptid-basierten Hydrogele fördert, jedoch diese Sekundärstruktur von Peptiden mit niedrigem Fluorgehalt durch die fluor-induzierte Polarität inhibiert wird. In einer weiteren Studie wurde die gezielte Modifizierung der biologischen Eigenschaften antimikrobieller Peptide (AMP) durch den Einbau fluorierter Aminosäuren untersucht. Hierzu wurde ein β-Hairpin bildendes Peptidmotiv ausgewählt, dessen amphipathische Struktur die zielgerichtete Disruption bakterieller Zellmembrane ermöglicht. Die ermittelten minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) gegen verschiedene Gram-negative und Gram-positive Bakterien zeigen, dass hochfluorierte Aminosäuren wie Trifluorethylglycin (TfeGly) und Pentafluorpropylglycin (PfpGly) die Bioaktivität antimikrobieller Peptide durch Erhöhung der intrinsischen Hydrophobie selektiv verstärken können, ohne eine gleichzeitige Zunahme toxischer & hämolytischer Eigenschaften zu verursachen. Zahlreiche Studien zum singulären Einbau fluorierter Aminosäuren wurden bis dato veröffentlicht, während synthetische Peptide mit größeren bzw. ausschließlichen Mengen dieser Bausteine unerforscht blieben. Dies war die Motivation zur Entwicklung und Charakterisierung sogenannter "Fluoropeptide". In SDS-beinhaltenden Puffer (pH 7.4) wurden, unter anderem, Übergänge von β-Faltblatt Strukturen zu α-Helices oder Fluor-induzierte PPII-Helices beobachtet. In-situ SEIRAS-Studien mit POPC:POPG-basierten Membranmodellen dienten zum Studium der Lipidinsertion und (Rück-)-Faltung der Fluoropeptide in Abhängigkeit zum gesamten Fluoranteil. Hierbei wurde der höchste Gehalt an α-helikaler Sekundärstruktur für das nichtfluorierte Homooligopeptid bestimmt, welcher in der Reihenfolge der Tri-, Di- und Monofluorierung der Seitenkette abnahm. Ein wichtiger Schwerpunkt dieser Doktorarbeit war die Bewertung der biologischen Abbaubarkeit für insbesondere höher polyfluorierte Sequenzen. Tatsächlich konnten alle in dieser Arbeit hergestellten Peptide unabhängig vom Fluorgehalt durch verschiedene Proteasen hydrolysiert werden. In Zusammenarbeit mit dem University College Dublin konnten zudem erste Daten zum mikrobiellen Verdau fluorierter Peptide und Aminosäuren generiert werden. Die enzymkatalysierte Spaltung der C-F-Bindung an der Seitenkette für beide Substratarten wurde beispielsweise durch den Nachweis von freigesetzten Fluorid-Ionen in Lösung nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden zum rationalen Design und potenzieller Anwendbarkeit neuartiger polyfluorierter Peptide beitragen, deren enzymatische Abbaubarkeit von großem Interesse für die künftige Entwicklung fluorhaltiger Biomaterialien sein wird.
