Controlled supramolecular assembly of peptides via chemical reactions
dc.contributor.advisor | Weil, Tanja | |
dc.contributor.author | Ren, Yong | |
dc.date.accessioned | 2025-06-24T07:06:30Z | |
dc.date.available | 2025-06-24T07:06:30Z | |
dc.date.issued | 2025 | |
dc.description.abstract | Peptide-based bioresponsive systems have gained significant attention in supramolecular chemistry and biomaterials. These systems have enabled the development of synthetic platforms within living cells, providing valuable insights into how structural formation influences cellular processes. This thesis investigates the design, synthesis, and characterization of different stimulus-responsive peptide systems for the in situ formation of intracellular nanostructures, and examines their consequent effects on cellular processes. In the first chapter, a platinum (II)-containing tripeptide was engineered to aggregate into intracellular fibrillar nanostructures, disrupting metabolic functions such as aerobic glycolysis and oxidative phosphorylation, consequently instigating apoptosis systematically. This system offers insights into novel building blocks for the construction of peptide-assembling platforms and elucidates the biological mechanisms of action and biochemical profiles associated with nanostructure formation, which implicates system-level effects, such as the regulation of energy and redox homeostasis. In the second chapter, the development of pH/oxidative stress-responsive isopeptide system was described, including the real-time tracking of the assembling processes and illustration of formed nanostructures, hollow spherical nanofibers, in epithelial cells (MDA-MB 231 cells). Phasor-fluorescence lifetime imaging (FLIM) was utilized to map the transformation form monomers to supramolecular assemblies and correlative light-electron microscopy/tomography (CLEM) revealed formation of nanofibers and their fusion with endosomes to finally form hollow fiber clusters. Spatiotemporal splicing of the assembly events shows time-correlated metabolic dysfunction. This study paves the way to understand and visualize the supramolecular processes of nanostructure formation in biology to ultimately address aggregation-based dysfunction in diseases. Finally, the construction of two amphiphilic pro-assembling peptide sequences protected by a visible light-sensitive cage group was presents. The peptides underwent a cascade of visible light-induced molecular and supramolecular transformations to form nanofibers in living cells. The irradiation with light enable full control over the reaction cascade where the monomer generation and concentration in turn regulates the assembly kinetics. Phasor-FLIM traced the formation of various assembly states in cells and revealed subsequent out-of-equilibrium dynamics associated with monomer activation and consumption. This study facilitates precise control over supramolecular events at discrete time points, and the new imaging technologies offer deeper insights into the dynamic assembly processes with native cells. In summary, this thesis introduces a range of methodologies for controlling and imaging intracellular peptide assembly processes and their associated cellular effects. These findings provide valuable insights into supramolecular assembly mechanisms within complex cellular environments and the role of aggregation-based dysfunction in disease. | en |
dc.description.abstract | Peptidbasierte bioresponsive Systeme haben in der supramolekularen Chemie und bei Biomaterialien große Aufmerksamkeit erlangt. Diese Systeme haben die Entwicklung von synthetischen Plattformen in lebenden Zellen ermöglicht und wertvolle Einblicke in die Art und Weise geliefert, wie die Strukturbildung zelluläre Prozesse beeinflusst. In dieser Arbeit werden das Design, die Synthese und die Charakterisierung verschiedener auf Stimuli reagierender Peptidsysteme für die in situ Bildung von intrazellulären Nanostrukturen untersucht und ihre Auswirkungen auf zelluläre Prozesse erforscht. Im ersten Kapitel wurde ein platin(II)-haltiges Tripeptid so konstruiert, dass es zu intrazellulären fibrillären Nanostrukturen assembliert und Stoffwechselfunktionen wie die aerobe Glykolyse und die oxidative Phosphorylierung stört, wodurch systematisch Apoptose ausgelöst wird. Dieses System bietet Einblicke in neuartige Bausteine für die Konstruktion von Peptid-Assemblierungsplattformen und klärt die biologischen Wirkmechanismen und biochemischen Profile im Zusammenhang mit der Bildung von Nanostrukturen auf, was Auswirkungen auf Systemebene, wie die Regulierung der Energie- und Redox-Homöostase, impliziert. Im zweiten Kapitel wurde die Entwicklung eines auf pH-Wert und oxidativen Stress reagierenden Isopeptidsystems beschrieben, einschließlich der Echtzeitverfolgung der Assemblierungsprozesse und der Darstellung der gebildeten Nanostrukturen, hohlkugelförmiger Nanofasern, in Epithelzellen (MDA-MB 231 Zellen). Phasor-Fluoreszenz-Lebensdauer-Imaging (FLIM) wurde eingesetzt, um die Umwandlung von Monomeren in supramolekulare Assemblies abzubilden, und korrelative Licht-Elektronen-Mikroskopie/Tomographie (CLEM) zeigte die Bildung von Nanofasern und ihre Fusion mit Endosomen, um schließlich hohle Fasercluster zu bilden. Die räumlich-zeitliche Aufteilung der Assemblierungsereignisse zeigt eine zeitkorrelierte metabolische Dysfunktion. Diese Studie ebnet den Weg zum Verständnis und zur Visualisierung der supramolekularen Prozesse der Nanostrukturbildung in der Biologie, um letztlich die auf Aggregation beruhenden Funktionsstörungen bei Krankheiten anzugehen. Schließlich wurde die Konstruktion von zwei amphiphilen pro-assemblierenden Peptidsequenzen vorgestellt, die durch eine für sichtbares Licht empfindliche Schutzgruppe geschützt sind. Die Peptide durchliefen eine Kaskade von durch sichtbares Licht ausgelösten molekularen und supramolekularen Umwandlungen, um in lebenden Zellen Nanofasern zu bilden. Die Bestrahlung mit Licht ermöglicht eine vollständige Kontrolle über die Reaktionskaskade, bei der die Monomererzeugung und -konzentration wiederum die Assemblierungskinetik steuert. Durch Phasor-FLIM wurde die Bildung verschiedener Assemblierungszustände in Zellen verfolgt und zeigte die anschließende Dynamik außerhalb des Gleichgewichts, die mit der Aktivierung und dem Verbrauch von Monomeren verbunden ist. Diese Studie ermöglicht eine präzise Kontrolle supramolekularer Ereignisse zu diskreten Zeitpunkten, und die neuen Bildgebungstechnologien bieten tiefere Einblicke in die dynamischen Assemblierungsprozesse in nativen Zellen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit eine Reihe von Methoden zur Kontrolle und Darstellung intrazellulärer Peptid-Assemblierungsprozesse und der damit verbundenen zellulären Auswirkungen vorgestellt werden. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen der supramolekularen Assemblierung in komplexen zellulären Umgebungen und in die Rolle von aggregationsbedingten Funktionsstörungen bei Krankheiten. | de |
dc.identifier.doi | https://doi.org/10.25358/openscience-12342 | |
dc.identifier.uri | https://openscience.ub.uni-mainz.de/handle/20.500.12030/12363 | |
dc.identifier.urn | urn:nbn:de:hebis:77-5e83379f-5e40-46cb-8d56-c0a09d71690e1 | |
dc.language.iso | eng | |
dc.rights | CC-BY-SA-4.0 | |
dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ | |
dc.subject.ddc | 540 Chemie | de |
dc.subject.ddc | 540 Chemistry and allied sciences | en |
dc.title | Controlled supramolecular assembly of peptides via chemical reactions | en |
dc.type | Dissertation | |
jgu.date.accepted | 2025-04-29 | |
jgu.description.extent | vii, 247 Seiten, Illustrationen, Diagramme | |
jgu.organisation.department | FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch. | |
jgu.organisation.name | Johannes Gutenberg-Universität Mainz | |
jgu.organisation.number | 7950 | |
jgu.organisation.place | Mainz | |
jgu.organisation.ror | https://ror.org/023b0x485 | |
jgu.rights.accessrights | openAccess | |
jgu.subject.ddccode | 540 | |
jgu.type.dinitype | PhDThesis | en_GB |
jgu.type.resource | Text | |
jgu.type.version | Original work |