Context-Dependent Heterotypic Assemblies of Intrinsically Disordered Peptides

https://doi.org/10.1021/jacs.4c12150

 

Abstract

Despite their critical role in context-dependent interactions for protein functions, intrinsically disordered regions (IDRs) are often overlooked for designing peptide assemblies. Here, we exploit IDRs to enable context-dependent heterotypic assemblies of intrinsically disordered peptides, where “context-dependent” refers to assembly behavior driven by interactions with other molecules. By attaching an aromatic segment to oppositely charged intrinsically disordered peptides, we achieve a nanofiber formation. Although the same-charged peptides cannot self-assemble, oppositely charged peptides form heterotypic nanofibers. Cryo-EM analysis reveals a β-sheet arrangement within the ordered core of these nanofibers, conformational heterogeneity, and a disorder-to-order continuum and shows a high number of hydrogen bonds between tyrosine and lysine ε-amine. Additionally, this work demonstrates a post-assembly morphological change resulting from local conformational flexibility. While equal molar mixtures of the charged intrinsically disordered peptides yield nanofibers, doubling the positively charged peptides after assembly produces bundles of nanofibers. Furthermore, reducing the number of aromatic amino acid residues reduces bundle formation. Demonstrating context-dependent self-assembly of intrinsically disordered peptides and revealing atomistic insights into heterotypic assemblies of intrinsically disordered peptides for the first time, this work illustrates a straightforward approach to enable heterotypic intrinsically disordered peptides to self-assemble for the design of adaptive, multifunctional peptide nanomaterials.

요약

1. 연구 목적: 본 연구는 전하가 반대인 intrinsically disordered peptides(IDPs)가 문맥 의존적으로 이질적인 나노섬유 구조를 형성하는 과정을 분석하고, 이러한 자가응집이 생체 적응형 펩타이드 나노소재 설계에 어떻게 활용될 수 있는지를 탐구하고자 하였습니다​.
2. 연구 방법: 크라이오-EM 분석을 통해 전하가 다른 펩타이드들이 β-sheet 배열을 이루며 나노섬유를 형성하는 구조적 특성을 규명하였으며, 피렌(pyrene)과 같은 방향족 부위를 결합해 응집 과정을 실시간 모니터링하였습니다​.
3. 주요 결과: 전하가 같은 펩타이드는 응집하지 못했지만, 양이온성과 음이온성 펩타이드를 혼합했을 때 이질적 나노섬유가 형성되었으며, 타이로신-라이신 수소 결합이 응집체의 안정성을 높였습니다​.
4. 의의: 본 연구는 IDP의 구조적 유연성이 응집 형태 변화에 어떻게 기여하는지를 밝혔으며, 생체 접착제, 약물 전달 시스템, 다기능성 펩타이드 나노소재 개발에 새로운 방향을 제시하였습니다​.
5. 향후 방향: 향후 연구에서는 다양한 방향족 아미노산을 도입하여 응집체의 안정성과 기능성을 개선하고, 세포 기능 조절 및 재료과학에 응용할 가능성을 탐색할 필요가 있습니다​.