Controlling order and dynamics in peptide assemblies by molecular design and light

Abstract

The transition between order and disorder is a central element governing self-assembly in both natural and synthetic systems. However, achieving control over assembly pathways, reversibility and the rational design of functional structural order remain challenging, particularly under far-from-equilibrium and biologically relevant conditions. Although numerous peptide-based self-assembling systems have been reported, rational design principles linking molecular structure to dynamic supramolecular behavior remain insufficiently explored. In this thesis, minimalistic peptide sequences are employed to investigate how subtle molecular design parameters govern supramolecular order and disorder in a stimulus-responsive manner. Systematic analysis of linker flexibility is used to identify its relevance for effective intermolecular interactions and the formation of ordered assemblies. Subsequently, light is introduced as a non-invasive external stimulus offering high spatiotemporal precision to actively regulate order-disorder transitions. Both irreversible and reversible photoresponsive strategies are explored to probe assembly pathways and non-equilibrium behavior. Building on these concepts, photoreversible peptide systems are developed that enable repeated switching between ordered and disordered states through photoisomerization. Using isopeptide chemistry, the peptide scaffold is further extended to facilitate cellular uptake, while glutathione-responsive motifs allow these systems to exhibit intracellular activity in such biological environments. This approach enables correlations between supramolecular organization and cellular response to be examined. Collectively, the results demonstrate that molecular-level design enables active control over peptide self-assembly pathways beyond static equilibrium structures. This work establishes design principles for adaptive supramolecular peptide systems and contributes to bridging supramolecular physical chemistry with dynamic behavior in complex, life-inspired environments.

Der Übergang zwischen Ordnung und Unordnung stellt ein zentrales Element dar, das die Selbstassemblierung sowohl in natürlichen als auch in synthetischen Systemen bestimmt. Die gezielte Kontrolle von Assemblierungswegen, Reversibilität und das rationale Design funktioneller struktureller Ordnung bleibt jedoch eine große Herausforderung, insbesondere unter fern-vom-Gleichgewicht liegenden und biologisch relevanten Bedingungen. Obwohl zahlreiche peptidbasierte selbstassemblierende Systeme beschrieben wurden, sind rationale Designprinzipien, die die molekulare Struktur mit dem dynamischen supramolekularen Verhalten verknüpfen, bislang nur unzureichend erforscht. In dieser Arbeit werden minimalistische Peptidsequenzen eingesetzt, um zu untersuchen, wie subtile molekulare Designparameter die supramolekulare Ordnung und Unordnung in stimulus-responsiver Weise steuern. Eine systematische Analyse der Flexibilität des Linkersegments dient dazu, deren Bedeutung für effektive intermolekulare Wechselwirkungen und die Ausbildung geordneter Assemblierungen zu identifizieren. In einem weiteren Schritt wird Licht als nicht-invasiver externer Stimulus mit hoher räumlich-zeitlicher Präzision eingeführt, um Übergänge zwischen Ordnung und Unordnung aktiv zu regulieren. Sowohl irreversible als auch reversible photoresponsive Strategien werden untersucht, um Assemblierungswege und Nicht-Gleichgewichtsverhalten zu analysieren. Aufbauend auf diesen Konzepten werden photoreversible Peptidsysteme entwickelt, die ein wiederholtes Umschalten zwischen geordneten und ungeordneten Zuständen durch Photoisomerisierung ermöglichen. Mithilfe von Isopeptid-Chemie wird das Peptidgerüst weiter modifiziert, um eine zelluläre Aufnahme zu erleichtern, während Glutathion-responsive Motive es diesen Systemen erlauben, in biologischen Umgebungen intrazelluläre Aktivität zu entfalten. Dieser Ansatz ermöglicht es, Zusammenhänge zwischen supramolekularer Organisation und zellulärer Antwort zu untersuchen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass molekulares Design eine aktive Kontrolle von Peptid-basierten Selbstassemblierungswegen über statische Gleichgewichtsstrukturen hinaus erlaubt. Diese Arbeit etabliert Designprinzipien für adaptive supramolekulare Peptidsysteme und trägt dazu bei, die supramolekulare physikalische Chemie mit dynamischem Verhalten in komplexen, lebensinspirierten Umgebungen zu verbinden.