Peptide and protein engineering are indispensable to obtaining biomolecules with specific properties. The element fluorine can be a valuable tool in this regard. In the last decades, the influence of fluorine on a wide range of different properties of peptides and proteins, such as secondary structure formation, protein-protein interactions, and proteolytic stability, was intensively studied. Various design principles for applying fluorinated amino acids to produce compounds with desired properties have been established. Nevertheless, peptides, which are predominantly composed of fluorinated building blocks, are still widely unexplored. Additionally, the application of highly fluorinated sequences in the rational design of peptide self-assembly processes is poorly understood, the outcome is still challenging to predict, and previous strategies exclusively relied on classic fluorous interactions. In the first work of this doctoral thesis, the stereoselective gram-scale synthesis of different aliphatic fluorinated amino acids was developed. A chiral Ni(II) complex was used as a starting material to produce the desired Fmoc-protected fluorinated amino acids in a two-step synthesis. First, the respective complex was diastereoselectively alkylated with fluorinated alkyl iodides. Subsequently, acidic hydrolysis and Fmoc-protection yielded the desired product in great yields and with excellent enantiomeric purities. Additionally, a strategy to produce commercially unavailable fluorinated alkyl iodides from corresponding fluorinated alcohols was described. Finally, the obtained fluorinated amino acids were characterized concerning their hydrophobicity and α-helix propensity. This work provided a crucial foundation for this doctoral thesis to allow subsequent investigation of new, highly fluorinated peptides. The second project focused on synthesizing and characterizing de novo polyfluorinated peptides (fluoropeptides). A fluoropeptide library was synthesized with sequences of different lengths and degrees of fluorination. The structural properties of this new class of peptides were studied in the presence of micelles and liposomes. In general, for non-, mono-, and difluorinated side chains containing fluoropeptides, β-strand to α-helix transition was observed in micelle and liposome environments. On the contrary, peptides consisting of trifluorinated residues displayed the formation of an extended polyproline type II helix. The corresponding structural properties were investigated via circular dichroism and a fluorescence-based leakage assay and confirmed by surface-enhanced infrared absorption spectroscopy. Additionally, log P values of the fluoropeptides were estimated and connected to observed trends. Finally, HPLC-based proteolytic resistance studies revealed that shorter fluoropeptides were degradable in the presence of two different serine proteases. This work demonstrated the intriguing potential of highly fluorinated peptides for developing polyfluorinated biomaterials. Finally, fluorine-directed coiled coil assembly was investigated. In the context of this work, fluorinated derivatives of valine, isoleucine, and allo-isoleucine were incorporated at positions a of the parallel heterodimeric VPK/VPE model, resulting in a comprehensive combinatorial VPK/VPE peptide library. Using different diastereomers of trifluorovaline and trifluoroisoleucine residues allowed the study of the influence of fluorination and corresponding stereochemistry on structural and thermodynamic properties. Each coiled coil pair was investigated via circular dichroism, size exclusion chromatography, and Förster resonance energy transfer measurements. Thus, it was demonstrated that all fluorinated coiled coil pairs altered the oligomerization degree of the CC motif from dimeric to trimeric coiled coils. Furthermore, thermal denaturation studies revealed different trends in the respective stabilities between various combinations. These differences were exploited to design and predict fluorine-guided coiled coil assembly processes. Depending on the fluorinated amino acid used in this context, coiled coil formation was turned on or off, introducing a new tool for rationalizing and controlling peptide-peptide interactions.
Das Peptid- und Protein-Engineering ist unerlässlich, um Biomoleküle mit spezifischen Eigenschaften zu erhalten. Das Element Fluor kann in dieser Hinsicht ein wertvolles Werkzeug sein. In den letzten Jahrzehnten wurde der Einfluss von Fluor auf eine Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften von Peptiden und Proteinen, wie z. B. die Bildung von Sekundärstrukturen, Protein-Protein-Wechselwirkungen und proteolytische Stabilität, intensiv untersucht. Inzwischen sind verschiedene Designprinzipien für den Einsatz fluorierter Aminosäuren zur Herstellung von Verbindungen mit gewünschten Eigenschaften etabliert. Dennoch sind Peptide, die überwiegend aus fluorierten Bausteinen zusammengesetzt sind, noch weitgehend unerforscht. Darüber hinaus ist die Anwendung hochfluorierter Sequenzen beim rationalen Design von Peptidselbstassemblierungsprozessen nur unzureichend verstanden, das Ergebnis ist nach wie vor schwer vorherzusagen, und bisherige Strategien beruhen ausschließlich auf der Nutzung klassischer „fluoriger“ Wechselwirkungen. In der ersten Arbeit dieser Dissertation wurde die stereoselektive Synthese von verschiedenen aliphatischen fluorierten Aminosäuren im Gramm-Maßstab entwickelt. Ein chiraler Ni(II)-Komplex wurde als Ausgangsmaterial verwendet, um die gewünschten Fmoc-geschützten fluorierten Aminosäuren in einer zweistufigen Synthese zu erhalten. Zunächst wurde der entsprechende Komplex diastereoselektiv mit fluorierten Alkyliodiden umgesetzt. Anschließend wurden nach saurer Hydrolyse und Fmoc-Schützung die gewünschten Produkte in guten Ausbeuten und mit ausgezeichneten enantiomeren Reinheiten isoliert. Darüber hinaus wurde eine Strategie zur Herstellung kommerziell nicht erhältlicher fluorierter Alkyliodide aus den entsprechenden fluorierten Alkoholen beschrieben. Schließlich wurden die erhaltenen fluorierten Aminosäuren im Hinblick auf ihre Hydrophobie und α-Helix Propensität charakterisiert. Diese Arbeit lieferte eine entscheidende Grundlage für diese Doktorarbeit, um die anschließende Untersuchung von hochfluorierten Peptidmodellen zu ermöglichen. Das zweite Projekt konzentrierte sich auf die Synthese und Charakterisierung von de novo polyfluorierten Peptiden (Fluoropeptiden). Es wurde eine Fluoropeptidbibliothek mit Sequenzen unterschiedlicher Länge und Fluorierungsgrades synthetisiert. Die strukturellen Eigenschaften dieser neuen Klasse von Peptiden wurden in Gegenwart von Mizellen und Liposomen untersucht. Im Allgemeinen wurde für nicht-, mono- und difluorierte Seitenketten enthaltende Fluoropeptide ein Übergang von einem β-Strang zu einer α-Helix in der Umgebung von Mizellen und Liposomen beobachtet. Im Gegensatz dazu zeigten Peptide, die aus trifluorierten Bausteinen bestehen, die Bildung einer verlängerten Polyprolin Typ II Helix. Die entsprechenden strukturellen Eigenschaften wurden mittels Circulardichroismus und einem fluoreszenzbasiertem „Leakage-Assay“ untersucht und durch „Surface enhanced infrared absorption spectroscopy“ bestätigt. Zusätzlich wurden die log P Werte der Fluoropeptide geschätzt und mit den beobachteten Trends in Verbindung gebracht. Abschließend zeigten HPLC-basierte proteolytische Resistenzstudien, dass kürzere Fluoropeptide in Gegenwart von zwei verschiedenen Serinproteasen abbaubar sind. Diese Arbeit deutet das faszinierende Potenzial hochfluorierter Sequenzen für die Entwicklung perfluorierter Biomaterialien an. Schließlich wurde in der letzten Studie dieser Doktorarbeit die fluorgesteuerte Assemblierung von Coiled Coil Motiven untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden fluorierte Derivate von Valin, Isoleucin und allo-Isoleucin an den Positionen a des parallelen heterodimeren VPK/VPE-Modells eingebaut, was in einer umfassenden kombinatorischen Coiled Coil Bibliothek resultierte. Die Verwendung verschiedener Diastereomere von Trifluorvalin- und Trifluorisoleucinresten ermöglichte es, nicht nur den Einfluss der Fluorierung, sondern auch der entsprechenden Stereochemie zu untersuchen. Jede Kombination wurde mittels Circulardichroismus, Größenausschlusschromatographie und Förster Resonanzenergietransfermessungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass alle fluorierten Kombinationen den Oligomerisierungsgrad des CC-Motivs von dimeren zu trimeren Strukturen veränderten. Darüber hinaus ergaben thermische Denaturierungsstudien unterschiedliche Trends in Stabilitäten zwischen den jeweiligen Kombinationen. Diese Unterschiede wurden genutzt, um Fluordirigierte Coiled Coil Assemblierungsprozesse zu entwerfen und vorherzusagen. Je nach der in diesem Zusammenhang verwendeten fluorierten Aminosäure wurde die Bildung von Coiled Coil Strukturen ein und ausgeschaltet, womit ein weiteres Werkzeug für das rationale Design und Steuerung von Peptid-Peptid-Wechselwirkungen vorgestellt wurde.
