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Photochemical modification of antimicrobial peptides
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Authors
Abstract(s)
A fotoquímica é uma ferramenta extremamente importante na química orgânica e os progressos neste domínio têm fascinado os químicos por todo o mundo, contribuindo para o desenvolvimento contínuo da química verde e para o aumento da sustentabilidade nas comunidades da investigação e da indústria. As reações induzidas pela luz desempenham um papel crucial tanto nos processos naturais, como a fotossíntese, como nas aplicações tecnológicas. A capacidade de aproveitar e controlar a energia da luz para conduzir diversas reações químicas abre uma vasta janela de possibilidades para inovações científicas e industriais.
A modificação química de biomoléculas surgiu como uma ferramenta única e importante no domínio da biologia química. Estas modificações de biomoléculas referem-se à alteração de moléculas biológicas, como as proteínas, os péptidos, os ácidos nucleicos, os lípidos e os hidratos de carbono. Esta área de estudo é crucial para a compreensão e manipulação de sistemas biológicos, permitindo avanços em áreas de investigação como o desenvolvimento de medicamentos, o diagnóstico e a biologia sintética. Ao modificar as biomoléculas, as comunidades de investigação podem compreender e estudar as suas funções ao pormenor, desenvolver novas terapêuticas e criar materiais bio-inspirados com propriedades únicas.
A modificação fotoquímica de biomoléculas representa uma poderosa abordagem interdisciplinar com um potencial significativo. Os métodos fotoquímicos de modificação de biomoléculas oferecem vantagens únicas, incluindo o controlo espacial e temporal, elevada especificidade e a capacidade de induzir alterações sem a necessidade de reagentes químicos potencialmente nocivos.
A fotocatálise emergiu recentemente como um método alternativo de excelência para modificações fotoquímicas no domínio das biomoléculas. As reações de fotocatálise permitem a utilização de condições de reação moderadas, viabilizando a aplicação de reações fotoquímicas em sistemas biológicos mais complexos, como péptidos e proteínas. Além disso, destaca-se pelo seu carácter sustentável, ao utilizar a luz como um reagente verde que não deixa vestígios da sua utilização.
A cisteína é um dos resíduos de aminoácidos mais estudados e conhecidos na área da biologia química. Os resíduos de cisteína são amplamente utilizados para a modificação de biomoléculas devido às suas propriedades únicas e vantajosas. Uma das principais razões para esta preferência é a presença do grupo tiol, que é altamente nucleofílico e reativo, permitindo reações químicas específicas e eficientes. Esta versatilidade química torna a cisteína excecional para diversas reações químicas, permitindo uma vasta gama de modificações e aplicações possíveis. Embora existam outras espécies reativas no ambiente biológico, o grupo tiol da cisteína é significativamente mais reativo quando comparado com essas outras espécies, permitindo modificações específicas nos resíduos de cisteína sem afetar outros aminoácidos, assegurando a seletividade em aplicações de biologia química.
Além disso, na natureza, a maioria dos resíduos de cisteína apresenta-se sob a forma de ligações dissulfureto, que são cruciais para a estabilidade estrutural e a funcionalidade de muitas proteínas. Este facto torna-se uma limitação para a modificação da cisteína, uma vez que não tem o seu grupo tiol reativo disponível para poder reagir com reagentes de bioconjugação de interesse. Para contornar esta limitação, o primeiro passo comum antes da bioconjugação da cisteína propriamente dita é a redução destas ligações dissulfureto através da utilização de agentes redutores para obter os grupos tiol livres e disponíveis para reações de modificação. No entanto, a utilização destes agentes redutores, além de serem extremamente nocivos e carcinogénicos, apresenta várias desvantagens, tais como a incompatibilidade com vários reagentes bio ortogonais usados na bioconjugação, como as azidas e alguns aceitadores ativados, e a incompatibilidade com uso em reações fotoquímicas, uma vez que levam à dessulfurização dos tióis da cisteína.
A primeira parte deste trabalho apresenta uma abordagem fotoquímica inovadora para a modificação seletiva de ligações dissulfureto em péptidos, eliminando a necessidade de agentes redutores tradicionais, como o TCEP. Esta abordagem utiliza um mecanismo induzido por luz visível que permite a modificação seletiva de ligações dissulfureto em condições moderadas. Isto proporciona uma alternativa mais sustentável aos métodos químicos existentes e expande a coleção de opções para a modificação de biomoléculas. Contudo, durante a execução da otimização do método destas reações, surgiram diversos fatores inesperados que interferiram com o decorrer do trabalho e impossibilitaram a conclusão dos objetivos propostos inicialmente nos tempos estipulados, pelo que, se avançou para um outro projeto.
As terapêuticas com péptidos estão a ser amplamente exploradas pela indústria farmacêutica e pelas comunidades de investigação académica. Com o aparecimento de novas tecnologias para a síntese e modificação de péptidos, tais como a síntese de péptidos em fase sólida, a síntese automatizada de péptidos e a química biortogonal, estes emergiram rapidamente como uma importante classe terapêutica.
Os péptidos antimicrobianos têm vindo a emergir e a ser estudados como uma classe promissora de moléculas bioativas com potencial para combater doenças infeciosas e uma excelente alternativa para as infeções bacterianas resistentes aos medicamentos, que constituem uma causa grave de morbilidade e mortalidade com cerca de 1 milhão de mortes por ano, originando uma enorme preocupação para a sociedade. A maioria dos péptidos antimicrobianos são produtos naturais, tipicamente produzidos a partir de organismos fúngicos como mecanismo de autodefesa, ou análogos sintéticos. Por esta razão, o estudo de métodos de modificação ortogonal nestes péptidos é da maior importância. No entanto, a modificação seletiva dos aminoácidos presentes nos péptidos é ainda um grande desafio, devido à funcionalidade diversa da cadeia lateral dos aminoácidos presentes nestes péptidos.
Os péptidos são biomoléculas menos complexas do que as proteínas, embora sejam constituídos pelas mesmas unidades monoméricas. No entanto, a aplicação de restrições conformacionais e físicas às cadeias peptídicas permite obter uma estrutura supramolecular controlada por ligações covalentes intramoleculares que restringem a sua flexibilidade, o que pode conduzir a propriedades bioquímicas e físico-químicas mais interessantes do que as apresentadas pelos péptidos lineares comuns.
A ciclização de péptidos é uma das estratégias mais comuns para restringir a flexibilidade conformacional dos péptidos e tem vindo a demonstrar diversas aplicações que estão em constante desenvolvimento. Sabe-se que um número significativo de doenças, tais como cancros, doenças imunitárias e doenças neurodegenerativas, resultam de interações anómalas proteína-proteína, desregulação e agregação de proteínas, envolvendo proteínas endógenas ou patogénicas. Neste contexto, os péptidos terapêuticos têm o potencial de modificar positivamente estas interações. Atualmente, alguns péptidos cíclicos já foram aprovados e aplicados na prática clínica em diferentes situações.
Neste sentido, foram adotadas múltiplas estratégias de ciclização, especialmente para a ciclização cabeça-cauda, cadeia-lateral-cabeça, cadeia-lateral-cauda e cadeia-lateral-cadeia-lateral.
Apesar dos métodos diferenciados existentes, as novas aplicações de péptidos cíclicos estão em constante crescimento, pelo que há uma necessidade substancial de criar técnicas inovadoras para este fim, tornando esta uma área crítica de investigação. Os métodos mais utilizados baseiam-se frequentemente em aminoácidos não canónicos, que têm de ser adquiridos comercialmente ou sintetizados previamente, o que aumenta os custos do processo e impossibilita a incorporação destes aminoácidos em péptidos naturais sintetizados em sistemas biológicos.
A segunda parte deste trabalho, apresenta um novo e promissor método de ciclização. Este método utiliza diversas ciclopentenonas derivadas de biomassa como os agentes de ciclização que reagem com um resíduo de cisteína e com outro resíduo de lisina. A ciclopentenona tem sido referida como uma unidade interessante na química medicinal devido à sua vasta atividade biológica como anti-inflamatória, anti-viral, anti-tumoral, pró-apoptótica, antifúngica e antibacteriana.
Numa primeira experiência, foram testados vários péptidos com diferentes distâncias entre os aminoácidos de cisteína e lisina na cadeia peptídica. Os resultados obtidos revelaram excelentes taxas de conversão o que indica que este método é uma interessante alternativa para a ciclização de péptidos.
Este método foi ainda testado numa gama de péptidos desenhados com base na estrutura de péptidos antimicrobianos já reportados, e sintetizados através do método de síntese de péptidos em fase sólida para testar a eficácia e a versatilidade do método. A ciclização destes péptidos também foi obtida com sucesso, o que comprova a grande eficácia do método.
Os péptidos ciclizados com maior taxa de conversão foram submetidos a testes de avaliação de atividade biológica antimicrobiana, através da determinação da concentração mínima de inibição, e os resultados foram bastante interessantes e promissores.
Photochemistry has become an invaluable tool in organic chemistry, advancing green chemistry and promoting sustainability in both research and industry. Lightinduced reactions play a crucial role in natural processes and technological applications, offering precise spatial and temporal control. In chemical biology, photochemical methods for biomolecule modification enable high specificity and reaction control without the need for harsh reagents, providing an excellent alternative to conventional bioconjugation techniques. Cysteine, a critical amino acid in chemical biology, is frequently targeted for modification due to its unique properties. The first part of this work introduces an innovative photochemical approach for the selective modification of disulfide bonds in peptides, eliminating the requirement for traditional reducing agents such as TCEP. This approach utilises a visible light-induced mechanism, enabling targeted disulfide bond modification under mild conditions. It represents a more sustainable alternative to existing chemical methods and significantly expands the toolkit available for biomolecule modification. The challenges involved in optimising this photochemical method are addressed and discussed. The second part of this study focuses on a novel method for peptide cyclization using cyclopentenones. Cyclization is a critical strategy in peptide synthesis, as it restricts flexibility and enhances the bioactivity of therapeutic peptides, such as antimicrobial peptides. Antimicrobial peptide derivatives were synthesised and subsequently cyclized via reaction with cyclopentenones, achieving high conversion rates under mild conditions. The cyclized antimicrobial peptides were then subjected to biological assays to evaluate their efficacy against a range of bacterial strains. Remarkably, these assays revealed promising antimicrobial activities, suggesting that this cyclization approach enhances peptide biological activity. These findings support the potential of cyclopentenone-mediated cyclization as a powerful tool for the synthesis of bioactive peptides with potential therapeutic applications.
Photochemistry has become an invaluable tool in organic chemistry, advancing green chemistry and promoting sustainability in both research and industry. Lightinduced reactions play a crucial role in natural processes and technological applications, offering precise spatial and temporal control. In chemical biology, photochemical methods for biomolecule modification enable high specificity and reaction control without the need for harsh reagents, providing an excellent alternative to conventional bioconjugation techniques. Cysteine, a critical amino acid in chemical biology, is frequently targeted for modification due to its unique properties. The first part of this work introduces an innovative photochemical approach for the selective modification of disulfide bonds in peptides, eliminating the requirement for traditional reducing agents such as TCEP. This approach utilises a visible light-induced mechanism, enabling targeted disulfide bond modification under mild conditions. It represents a more sustainable alternative to existing chemical methods and significantly expands the toolkit available for biomolecule modification. The challenges involved in optimising this photochemical method are addressed and discussed. The second part of this study focuses on a novel method for peptide cyclization using cyclopentenones. Cyclization is a critical strategy in peptide synthesis, as it restricts flexibility and enhances the bioactivity of therapeutic peptides, such as antimicrobial peptides. Antimicrobial peptide derivatives were synthesised and subsequently cyclized via reaction with cyclopentenones, achieving high conversion rates under mild conditions. The cyclized antimicrobial peptides were then subjected to biological assays to evaluate their efficacy against a range of bacterial strains. Remarkably, these assays revealed promising antimicrobial activities, suggesting that this cyclization approach enhances peptide biological activity. These findings support the potential of cyclopentenone-mediated cyclization as a powerful tool for the synthesis of bioactive peptides with potential therapeutic applications.
Description
Tese de mestrado, Química Medicinal e Biofarmacêutica, 2025, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
Keywords
Photochemistry Disulfide bond Bioconjugation Peptide cyclization Antimicrobial peptides Teses de mestrado - 2025