Structure optimization of lipopeptide assemblies for aldol reactions in an aqueous medium

Four amphiphilic peptides were synthesized, characterized, and evaluated regarding their efficiency in the catalysis of direct aldol reactions in water. The lipopeptides differ by having a double lipid chain and a guanidinium pyrrole group functionalizing one Lys side chain. All the samples are composed of the amino acids L-proline (P), L-arginine (R), or L-lysine (K) functionalized with the cationic guanidiniocarbonyl pyrrole unit (GCP), L-tryptophan (W), and L-glycine (G), covalently linked to one or two long aliphatic chains, leading to surfactant-like designs with controlled proline protonation state and different stereoselectivity. Critical aggregation concentrations (cac) were higher in the presence of the GCP group, suggesting that self-assembly depends on charge distribution along the peptide backbone. Cryogenic Transmission Electron Microscopy (Cryo-TEM) and Small Angle X-ray Scattering (SAXS) showed a rich polymorphism including spherical, cylindrical, and bilayer structures. Molecular dynamics simulations performed to assess the lipopeptide polymorphs revealed an excellent agreement with core-shell arrangements derived from SAXS data and provided an atomistic view of the changes incurred by modifying head groups and lipid chains. The resulting nanostructures behaved as excellent catalysts for aldol condensation reactions, in which superior conversions (>99%), high diastereoselectivities (ds = 94:6), and enantioselectivities (ee = 92%) were obtained. Our findings contribute to elucidate the effect of nanoscale organization of lipopeptide assemblies in the catalysis of aldol reactions in an aqueous environment.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)19/20907-

The study the properties structurals and elastics of phases lamellar of lipid.

Lamellar systems composed of lipid bilayers have been widely used as model system\ud for investigating properties of biological membranes, interactions between membranes and with biomolecules. The composition of the membrane determines its\ud three dimensional shape and its properties such as rigidity and compressibility\ud which play an important role on membrane fusion, protein adhesion, interactions\ud between proteins, etc. We present a systematic study of a lamellar system composed of lecithin and a commercial co-surfactant (Simusol), which is a mixture of\ud ethoxylated fatty acids. Using X ray scattering and a new procedure to fit X-ray\ud experimental data, we determine relevant parameters characterizing the lamellar\ud structure, varying membrane composition from 100% of lecithin to 100% of Simulsol. We present experimental data illustrating the swelling behavior for the membrane of different compositions and the respective behavior of the Caillé parameter.\ud From and GISAXS experiments on oriented films under controlled humidity we investigate the compressibility of the lamellar phase and the effect of incorporating\ud co-surfactant. Combining the Caillé parameter and compressibility studies we determine the bending rigidity of membranes. The results obtained with this experimental approach and new procedure to fit X-ray experimental allows us to identify\ud structural changes in the bilayer depending both on hydration and co-surfactant\ud content, with implications on elastic properties of membranes

Structural and elastic properties of lamellar phases: The effect of membrane composition

Neste trabalho, é apresentado um estudo sistemático de uma fase lamelar composta de lecitina á qual é incorporado um co-surfactante de uso comercial (Simulsol), que consiste de uma mistura de ácidos graxos etoxilados. Foi realizado um estudo estrutural, utilizando a técnica de espalhamento de raios X em baixo ângulo (SAXS) em amostras inseridas em capilares, variando a composição da membrana, desde 100% de lecitina até 100% de Simulsol, ao longo da linha de diluição, para cada composição. Os resultados experimentais de espalhamento foram analisados usando um método que permite o ajuste direto da intensidade de espalhamento e um procedimento de otimização que fornece o perfil de densidade eletrônica da bicamada. Com esse método de análise, além de parâmetros estruturais tais como, periodicidade lamelar e espessura da bicamada obtém-se o parâmetro de Caillé, que relaciona as constantes elásticas que caracterizam a flexibilidade do sistema lamelar. As propriedades termodinâmicas do sistema lamelar foram investigadas para duas composições de membrana, em experimentos onde o potencial químico da água é controlado. A combinação dos resultados obtidos nos estudos estruturais e termodinâmicos permitiu a determinação do módulo de compressibilidade da fase lamelar e da constante de rigidez da membrana. A incorporação do co-surfactante aumenta a contribuição de interações de natureza entrópica relacionada às flutuações da membrana, que resultam na estabilização da fase lamelar para distâncias de separação entre as membranas muito maiores do que as observadas no sistema lamelar composto apenas por lecitina. Para pequenas distâncias de separação entre as bicamadas, observa-se superposição de regiões polares de bicamadas vizinhas, que são acompanhadas de mudanças no comportamento do parâmetro de Caillé, e consequentemente no comportamento das constantes de compressibilidade e na constante de rigidez. No regime diluído, a incorporação de moléculas anfifílicas com apenas uma cadeia carbônica resulta na redução significativa da constante de rigidez da membrana de lecitina de ~ 20kBT para ~0,5kBT.In this work we present a systematic study of structural properties of a lamelar phase composed of lecithin when a commercial cosurfactant(Simulsol) which is a mixture of etoxylated fatty acids. The study was carried out using small angle X ray scattering with samples encapsulated in glass capillaries, varying membrane composition from 100% of lecithin to 100% of Simulsol, through the dilution line, for each composition. The experimental results were analyzed using a method that fits directly the scattered intensity and, by means of an optimization procedure, gives the electronic density profile of the lipid bilayer. From the analysis of experimental data, in addition to the structural parameters, such as the lamellar period and membrane thickness,we obtain the Caillè parameter, which relates the elastic constants that characterizes the flexibility of the lamellar system. Thermodynamic properties of the lamellar system were also investigated, for two membrane compositions, by controlling the water chemical potential. The combination of results obtained in structural and thermodynamic studies allowed determination of the compressibility modulus of the lamellar phase and the membrane rigidity constant. The incorporation of co-surfactant to the membrane increases the contribution of entropic interactions arising from membrane fluctuations resulting in the stabilization of lamellar phase for larger membrane separation distances than observed for the lamellar system composed of lecithin only. For small membrane separation distances, a superposition of polar region of neighbor bilayers is observed, with related changes in the behavior of Caillè parameter, and consequently in the behavior of compressibility and membrane rigidity constants. In diluted regime, the incorporation of amphiphilic molecules with a single carbonic chain results in a significant reduction in lecithin membrane rigidity, from ~20kBT to ~ 0,5 kBT

Structural and elastic properties of lamellar phases: The effect of membrane composition

Neste trabalho, é apresentado um estudo sistemático de uma fase lamelar composta de lecitina á qual é incorporado um co-surfactante de uso comercial (Simulsol), que consiste de uma mistura de ácidos graxos etoxilados. Foi realizado um estudo estrutural, utilizando a técnica de espalhamento de raios X em baixo ângulo (SAXS) em amostras inseridas em capilares, variando a composição da membrana, desde 100% de lecitina até 100% de Simulsol, ao longo da linha de diluição, para cada composição. Os resultados experimentais de espalhamento foram analisados usando um método que permite o ajuste direto da intensidade de espalhamento e um procedimento de otimização que fornece o perfil de densidade eletrônica da bicamada. Com esse método de análise, além de parâmetros estruturais tais como, periodicidade lamelar e espessura da bicamada obtém-se o parâmetro de Caillé, que relaciona as constantes elásticas que caracterizam a flexibilidade do sistema lamelar. As propriedades termodinâmicas do sistema lamelar foram investigadas para duas composições de membrana, em experimentos onde o potencial químico da água é controlado. A combinação dos resultados obtidos nos estudos estruturais e termodinâmicos permitiu a determinação do módulo de compressibilidade da fase lamelar e da constante de rigidez da membrana. A incorporação do co-surfactante aumenta a contribuição de interações de natureza entrópica relacionada às flutuações da membrana, que resultam na estabilização da fase lamelar para distâncias de separação entre as membranas muito maiores do que as observadas no sistema lamelar composto apenas por lecitina. Para pequenas distâncias de separação entre as bicamadas, observa-se superposição de regiões polares de bicamadas vizinhas, que são acompanhadas de mudanças no comportamento do parâmetro de Caillé, e consequentemente no comportamento das constantes de compressibilidade e na constante de rigidez. No regime diluído, a incorporação de moléculas anfifílicas com apenas uma cadeia carbônica resulta na redução significativa da constante de rigidez da membrana de lecitina de ~ 20kBT para ~0,5kBT.In this work we present a systematic study of structural properties of a lamelar phase composed of lecithin when a commercial cosurfactant(Simulsol) which is a mixture of etoxylated fatty acids. The study was carried out using small angle X ray scattering with samples encapsulated in glass capillaries, varying membrane composition from 100% of lecithin to 100% of Simulsol, through the dilution line, for each composition. The experimental results were analyzed using a method that fits directly the scattered intensity and, by means of an optimization procedure, gives the electronic density profile of the lipid bilayer. From the analysis of experimental data, in addition to the structural parameters, such as the lamellar period and membrane thickness,we obtain the Caillè parameter, which relates the elastic constants that characterizes the flexibility of the lamellar system. Thermodynamic properties of the lamellar system were also investigated, for two membrane compositions, by controlling the water chemical potential. The combination of results obtained in structural and thermodynamic studies allowed determination of the compressibility modulus of the lamellar phase and the membrane rigidity constant. The incorporation of co-surfactant to the membrane increases the contribution of entropic interactions arising from membrane fluctuations resulting in the stabilization of lamellar phase for larger membrane separation distances than observed for the lamellar system composed of lecithin only. For small membrane separation distances, a superposition of polar region of neighbor bilayers is observed, with related changes in the behavior of Caillè parameter, and consequently in the behavior of compressibility and membrane rigidity constants. In diluted regime, the incorporation of amphiphilic molecules with a single carbonic chain results in a significant reduction in lecithin membrane rigidity, from ~20kBT to ~ 0,5 kBT

Study of interactions between lipid membranes and biomolecules

Esta tese apresenta resultados do estudo de interações entre biomoléculas e membranas compostas de lipídio. Duas classes de biomoléculas foram utilizadas, em primeiro lugar fragmentos de DNA que se inserem na camada aquosa entre as membranas, e peptídeos, que se inserem na parte hidrofóbica da membrana. As membranas de lipídio são constituídas basicamente por lecitina de soja, organizada em vesículas ou fases lamelares. Foram preparados complexos de lipídios e DNA com fragmentos de 150 pares de base, onde variou-se a composição das membranas na fase lamelar, com a adição de um co-surfactante comercial composto de uma mistura de ácidos graxos. Com essa abordagem foi possível alterar as propriedades elásticas da fase lamelar onde os fragmentos de DNA se inserem. Técnicas de espalhamento de raios-X foram aplicadas para a caracterização estrutural de duas composições distintas da fase lamelar hospedeira, revelando uma variedade de polimorfismos, como já havia sido observado para outras composições. Foi demonstrado que a transição entre os diferentes arranjos dos fragmentos de DNA está correlacionada a mudanças nas propriedades elásticas da fase lamelar hospedeira. No estudo da interação entre peptídeos e membranas, foram utilizadas vesículas e fases lamelares compostas apenas de lecitina. Os peptídeos utilizados foram duas sequências curtas de aminoácidos: L,L-difenilalanina (FF) e a cisteína-difenilalanina (CFF). A propriedade de auto-organização da FF tem sido reconhecida como elemento chave para a formação de fibras amilóides envolvidas em doenças neurodegenerativas como Alzheimer e Parkinson. Experimentos de FTIR demonstraram que os peptídeos se situam na interface da bicamada interagem mais fortemente com os grupos fosfato do lipídio. A incorporação do peptídeo FF promove alterações nas propriedades elásticas das membranas e, no caso das vesículas, observa-se uma transição multilamelar-unilamelar induzida pelo aumento da concentração de peptídeo. Com a presença do peptídeo CFF essa transição ocorre para concentrações baixas, provavelmente devido a ligações de hidrogênio entre o peptídeo e a membrana, alterando assim a entropia local da membrana. Observou-se ainda, com técnicas de dicroísmo circular e espalhamento de raios-X (WAXS) que, mesmo para essas sequências curtas, os peptídeos se agregam formando estruturas cristalinas que contribuem para a alteração das interações entre membranas e desestabilização da estrutura lamelar.This thesis presents results of the study of interactions between biomolecules and membranes composed of lipid. Two classes of biomolecules were studied, first fragments of DNA inserted into the aqueous layer between membranes and second, peptides that are inserted into the hydrophobic part of the membrane. Lipid membranes are basically constituted by soy lecithin, which is a biocompatible lipid, organized into vesicles or lamellar phases. Lipid and DNA complexes were prepared with 150 bp DNA fragments, varying the composition of the membranes in the lamellar phase, with the addition of a commercial commercial co-surfactant composed of a mixture of fatty acids. With this approach, it was possible to change the elastic properties of the lamellar phase where the DNA fragments are inserted. X-ray scattering techniques were applied for the structural characterization of two distinct compositions of the host lamellar phase, revealing a variety of polymorphisms, as had already been observed for other compositions. It has been shown that transitions between the different arrangements of the DNA fragments are correlated to changes in the elastic properties of the host lamellar phase. In the study of the interaction between peptides and membranes, vesicles and lamellar phases composed only of lecithin were used. The peptides used were two short amino acid sequences; L, L-diphenylalanine (FF) and cysteine diphenylalanine (CFF). The self-association property of FF has been recognized as a key element for the formation of amyloid fibers involved in neurodegenerative pathologies such as Alzheimer\'s and Parkinson\'s disease. FTIR experiments have shown that the peptides are at the interface of the bilayer and interact more strongly with the phosphate groups of the lipid. The incorporation of FF peptide promotes changes in the elastic properties of the membranes and in the case of the vesicles, a multilamellar-unilamellar transition is observed induced by the increase of the peptide concentration. With the presence of CFF peptide this transition occurs at low concentration, probably due to hydrogen bonds between peptide and membrane which change the local entropy of the membrane. It is also observed with circular dichroism and X-ray scattering (WAXS) techniques that, even for these short sequences, the peptides aggregate forming crystalline structures that contribute to the modification of membrane interactions and destabilization of the lamellar structure

Study of interactions between lipid membranes and biomolecules

Esta tese apresenta resultados do estudo de interações entre biomoléculas e membranas compostas de lipídio. Duas classes de biomoléculas foram utilizadas, em primeiro lugar fragmentos de DNA que se inserem na camada aquosa entre as membranas, e peptídeos, que se inserem na parte hidrofóbica da membrana. As membranas de lipídio são constituídas basicamente por lecitina de soja, organizada em vesículas ou fases lamelares. Foram preparados complexos de lipídios e DNA com fragmentos de 150 pares de base, onde variou-se a composição das membranas na fase lamelar, com a adição de um co-surfactante comercial composto de uma mistura de ácidos graxos. Com essa abordagem foi possível alterar as propriedades elásticas da fase lamelar onde os fragmentos de DNA se inserem. Técnicas de espalhamento de raios-X foram aplicadas para a caracterização estrutural de duas composições distintas da fase lamelar hospedeira, revelando uma variedade de polimorfismos, como já havia sido observado para outras composições. Foi demonstrado que a transição entre os diferentes arranjos dos fragmentos de DNA está correlacionada a mudanças nas propriedades elásticas da fase lamelar hospedeira. No estudo da interação entre peptídeos e membranas, foram utilizadas vesículas e fases lamelares compostas apenas de lecitina. Os peptídeos utilizados foram duas sequências curtas de aminoácidos: L,L-difenilalanina (FF) e a cisteína-difenilalanina (CFF). A propriedade de auto-organização da FF tem sido reconhecida como elemento chave para a formação de fibras amilóides envolvidas em doenças neurodegenerativas como Alzheimer e Parkinson. Experimentos de FTIR demonstraram que os peptídeos se situam na interface da bicamada interagem mais fortemente com os grupos fosfato do lipídio. A incorporação do peptídeo FF promove alterações nas propriedades elásticas das membranas e, no caso das vesículas, observa-se uma transição multilamelar-unilamelar induzida pelo aumento da concentração de peptídeo. Com a presença do peptídeo CFF essa transição ocorre para concentrações baixas, provavelmente devido a ligações de hidrogênio entre o peptídeo e a membrana, alterando assim a entropia local da membrana. Observou-se ainda, com técnicas de dicroísmo circular e espalhamento de raios-X (WAXS) que, mesmo para essas sequências curtas, os peptídeos se agregam formando estruturas cristalinas que contribuem para a alteração das interações entre membranas e desestabilização da estrutura lamelar.This thesis presents results of the study of interactions between biomolecules and membranes composed of lipid. Two classes of biomolecules were studied, first fragments of DNA inserted into the aqueous layer between membranes and second, peptides that are inserted into the hydrophobic part of the membrane. Lipid membranes are basically constituted by soy lecithin, which is a biocompatible lipid, organized into vesicles or lamellar phases. Lipid and DNA complexes were prepared with 150 bp DNA fragments, varying the composition of the membranes in the lamellar phase, with the addition of a commercial commercial co-surfactant composed of a mixture of fatty acids. With this approach, it was possible to change the elastic properties of the lamellar phase where the DNA fragments are inserted. X-ray scattering techniques were applied for the structural characterization of two distinct compositions of the host lamellar phase, revealing a variety of polymorphisms, as had already been observed for other compositions. It has been shown that transitions between the different arrangements of the DNA fragments are correlated to changes in the elastic properties of the host lamellar phase. In the study of the interaction between peptides and membranes, vesicles and lamellar phases composed only of lecithin were used. The peptides used were two short amino acid sequences; L, L-diphenylalanine (FF) and cysteine diphenylalanine (CFF). The self-association property of FF has been recognized as a key element for the formation of amyloid fibers involved in neurodegenerative pathologies such as Alzheimer\'s and Parkinson\'s disease. FTIR experiments have shown that the peptides are at the interface of the bilayer and interact more strongly with the phosphate groups of the lipid. The incorporation of FF peptide promotes changes in the elastic properties of the membranes and in the case of the vesicles, a multilamellar-unilamellar transition is observed induced by the increase of the peptide concentration. With the presence of CFF peptide this transition occurs at low concentration, probably due to hydrogen bonds between peptide and membrane which change the local entropy of the membrane. It is also observed with circular dichroism and X-ray scattering (WAXS) techniques that, even for these short sequences, the peptides aggregate forming crystalline structures that contribute to the modification of membrane interactions and destabilization of the lamellar structure

Gaussian deconvolution: a useful method for a form-free modeling of scattering data from mono- and multilayered planar systems

A new method for analysis of scattering data from lamellar bilayer systems is presented. The method employs a form-free description of the cross-section structure of the bilayer and the fit is performed directly to the scattering data, introducing also a structure factor when required. The cross-section structure (electron density profile in the case of X-ray scattering) is described by a set of Gaussian functions and the technique is termed Gaussian deconvolution. The coefficients of the Gaussians are optimized using a constrained least-squares routine that induces smoothness of the electron density profile. The optimization is coupled with the point-of-inflection method for determining the optimal weight of the smoothness. With the new approach, it is possible to optimize simultaneously the form factor, structure factor and several other parameters in the model. The applicability of this method is demonstrated by using it in a study of a multilamellar system composed of lecithin bilayers, where the form factor and structure factor are obtained simultaneously, and the obtained results provided new insight into this very well known system.FAPESPINCT(FCx)CAPESEIFFEL Foundatio

Influence of the Mixtures of Vegetable Oil and Vitamin E over the Microstructure and Rheology of Organogels

Candelilla wax (CW) and 12-hydroxystearic acid (12HSA) are classic solid-fiber-matrix organogelators. Despite the high number of studies using those ingredients in oily systems, there is scarce literature using a mixture of oil and antioxidants. Vitamin E (VE) is an important candidate for its lipophilicity and several applications on pharmaceutical, cosmetics, and food industries. In this work, we investigated the influences of mixtures between vegetable oil (VO) and VE on the microstructures and rheological properties of CW and 12HSA organogels. A weak gel (G′′/G′ > 0.1) with a shear-thinning behavior was observed for all samples. The presence of VE impacted the gel strength and the phase transition temperatures in a dose-dependent pattern. Larger and denser packed crystals were seen for 12HSA samples, while smaller and more dispersed structures were obtained for CW organogels. The results obtained in this work allowed the correlation of the structural and mechanical properties of the organogels, which plays an important role in the physical-chemical characteristics of these materials