פפטידים אמפיפיליים

פפטיד אמפיפילי (באנגלית: Peptide amphiphile) הוא רצף של מולקולות המורכב מרצף קצר של חומצות אמינו (פפטיד) הקשור קוולנטית לרצף הידרופובי כלשהו (לדוגמה, שרשרת אלקילית הידרופובית). מבנה מולקולרי זה נחשב לסוג של ליפו-פפטיד (פפטיד שומני). מבנה זה מאפשר הרכבה עצמית של המולקולות בסביבה מימית, לננו-מבנים בעלי צורות מגוונות, כמו מיצלות כדוריות, צינוריות, סיבית ומשטחים. פפטידים אמפיפיליים הוצגו לראשונה בשנות ה-90 של המאה ה-20 ונחקרו באופן מעמיק יותר בתחילת שנות ה-2000. עקב האופי הביולוגי של אבני המבנה המרכיבות אותו, פפטידים אמפיפיליים הם ביו-מתכלים ולכן מהווים מוקד עניין רב בקרב הקהילה המדעית (בדגש על הקהילה הרפואית). יישומים עדכניים כוללים: צימוד של דנ״א לפפטידים אמפיפיליים, צימוד לפולימרים, שימוש בפעילויות אנטי-מיקרוביאליות (אנ'), הסעת תרופות ודנ״א ממוקדי מטרה ויצירת ממברנות על מגוון משטחי ביניים. מחקר הפפטידים האמפיפיליים החל בשנות ה-90 של המאה ה-20, על ידי הביוכימאי האמריקאי-סיני שוגואנג דז'אנג (אנ') אשר עסק בבניית מולקולות פפטידיות במבנה הדומה למבנה עמילואידי . בתחילת שנות ה-2000, החוקר האמריקאי סמואל שטופ (אנ') וקבוצתו הצליחו לסנתז סוג חדש של פפטידים אמפיפיליים בעלי יכולת הרכבה עצמית לננו-מבנים מוארכים. יכולת ההרכבה העצמית בפפטידים האמפיפיליים הללו כוללת שילוב של יצירת קשרי מימן בין חומצות אמינו היוצרות משטחי בטא לבין הזנבות ההידרופוביים לשם יצירת מיצלות כדוריות. בשנים שלאחר מכן התחום חווה פריחה משמעותית ונערכו מחקרים רבים ברחבי העולם שניסו לרתום את הפפטידים האמפיפיליים לשימושים שונים, לרבות יישומים רפואיים. המבנה הכללי של פפטידים אמפיפיליים מבוסס על העיקרון של רצף הידרופובי הקשור קוולנטית לרצף הידרופילי. עיקרון זה מאפשר יצירת מבנים מגוונים בסביבה המימית . החלק ההידרופובי מתאפיין בשרשראות אלקיליות ארוכות ומהווה כוח מניע ליצירת מבנים שכבתיים: שכבות הנערמות אחת על גבי השנייה . החלק ההידרופילי מאפשר התמוססות במים של המולקולה. מבנה זה מאפשר למעשה את ההרכבה העצמית של המולקולה, והתארגנות למערכים מאקרו-מולקולריים, לדוגמה סיבים בקוטר ננומטרי. ניתן לתאר את מבנה הפפטיד האמפיפילי בארבעה חלקים: רצף הידרופובי – כגון שרשרת אלקילית (מסומן כאזור 1 באיור מס' 1) רצף פפטידי – מורכב מ-3–5 חומצות אמינו ומחובר לרצף ההידרופובי הנ"ל בקצה האמיני שלו. רצף זה מאפשר יצירת משטחי בטא (מסומן כאזור 2 באיור מס' 1). ניתן לשלוט בתכונות המבניות והמכניות של הפפטיד האמפיפילי על ידי שינויים כימיים במולקולות המרכיבות את אזור זה (כמו למשל החלפת רצף חומצות האמינו לרצף של חומצות אמינו אחרות) או על ידי הוספת מולקולה מצלבת (אנ') (ליצירת מבנה רשתי). קבוצה טעונה חשמלית – מתחברת לרצף הפפטידי בקצה הקרבוקסילי כדי לאפשר התמוססות המולקולה במים (מסומן כאזור 3 באיור מס' 1). דוגמה נפוצה לקבוצה שכזו היא קבוצת זרחה (פוספט). אפיטופ – רצף המעודד פעילות ביולוגית ומתחבר לקבוצה הטעונה חשמלית (מסומן כאזור 4 באיור מס' 1). ניתן להנדס חלק זה בהתאם לייעוד הספציפי של הפפטידים האמפיפיליים, לדוגמה לאיתות ביולוגי או לסימון להגעה לאתר פעולה ספציפי. ישנו מגוון רחב של כוחות בינמולקולריים המעודדים ומכווינים הרכבה עצמית של פפטידים אמפיפיליים, כמו אינטקרציות [דרושה הבהרה] הידרופוביות ויצירת קשרי מימן. קשרי המימן נוצרים במבנה הפנימי של הסיב או במהלך הסינתזה בסביבה המימית, בשל לכידת מולקולות מים בתוך נפח הפפטיד האמפיפילי. כוחות נוספים שמשפיעים על היווצרות המבנה הם כוחות אלקטרוסטטיים בין יונים מתכתיים לבין המבנה הפפטידי . כמו כן, יכולת ההרכבה העצמית של פפטידים אמפיפיליים מושפעת ממאפיינים שונים של התמיסה בה מתקיימת הסינתזה: pH, טמפרטורה והוספת יונים בעלי מטען מנוגד לזה של האזורים הטעונים חשמלית בפפטיד האמפיפילי. במקרים רבים, פפטידים אמפיפיליים נוטים להרכבה עצמית לצורת מיצלות. כאשר ריכוזם בתמיסה עולה על הריכוז הקריטי להיווצרות מיצלות, ישנן אפשרויות נוספות, כגון צילינדר, וזיקולה דו-שכבתית או מבנה למלרי (אנ'). כדי לחזות מבנים אלו, חוקרים הציעו מודלים שונים שמאפשרים לשער את המבנה הסופי לאחר ההרכבה העצמית של פפטידים אמפיפיליים. נהוג להשתמש בשני מודלים עיקריים : המודל הראשון מתבסס על רדיוס העקמומיות של קרום אמפיפילי הנמצא בממשק ביניים כלשהו. המודל השני מתבסס על הארכיטקטורה המולקולרית של הפפטיד האמפיפילי עצמו כאשר זו מחולקת ל-4 משפחות עיקריות: ארכיטקטורה סְפֵירית, גלילית, דו-שכבתית ולמלרית . תחת מודל זה ישנו יחס המתואר בתור פרמטר האריזה הקריטי (Critical Packing Parameter: CPP) המייצג מתאם בין צורת מולקולה כלשהי לבין המבנה המאקרו-מולקולרי הסופי שנוצר . באמצעות פפטידים אמפיפיליים ניתן ליצור מבנים ייחודיים בשיטות סינתזה פשוטות, יעילות וסדרתיות. לכן, "אבני הבניין" הללו מעוררות עניין בקרב חוקרים רבים, אשר שואפים לרתום את הפפטידים האמפיפיליים למגוון שימושים, בדגש על תחום הרפואה. לדוגמה, פותחו יישומים לתמיכה בתרביות תאים, להתמודדות עם זיהומים ודלקות, ריפוי פציעות, הסעת תרופות ועוד . להלן מובאות מספר דוגמאות ליישומים אפשריים של מבנים וחומרים מבוססי פפטידים אמפיפיליים. תרביות תאים: "פיגומים" להנדסת רקמות פפטידים אמפיפיליים יכולים לשמש ליצירת הידרוג'ל (אנ'): חומר בעל תכולת מים גבוהה שמבוסס על שרשראות פולימריות, שמורכבות מפפטידים רבים. חומר זה מהווה מצע ("פיגום") נוח לגידול תאים, ולכן יכול לסייע ביישומי הנדסת רקמות. ניתן להרכיב את הפפטידים באופן היררכי ומודולרי למבנה הרצוי לתרבית התאים ואף לבצע שינויים בהרכב הכימי שלהם לשם כך. המבנה יכול להיות מישורי או כדורי, בהתאם לצורך, ולהתארגן למבנה זה באופן עצמאי. לדוגמה, נעשה שימוש במבנה מישורי שכזה כמצע לגידול תאי סרטן-שד לצורך מחקר . פעילות אנטי-מיקרוביאלית מאות פפטידים ידועים בתכונות האנטי-מיקרוביאליות שלהם . האפקטיביות של הפפטיד כנגד חיידקים, למשל, נובעת מהשפעת שני הקצוות שלו: הראש ההידרופילי הטעון חיובית והזנב ההידרופובי. מבנה זה מאפשר לערער את יציבות הממברנה, כך שאפקט אנטי-מיקרוביאלי נצפה כנגד מגוון מיני חיידקים. ערעור הממברנה נובע מאינטראקציות אלקטרוסטטיות בין הפפטידים לבין חומצות שומן טעונות שלילית כך שמתקבלת התנהגות דומה לדטרגנט, אשר מובילה לחדירות מוגברת של הממברנה ואף לקריסתה המוחלטת. שיגור תרופות לאור יכולתם ליצור מבנים ננומטריים בעלי ממברנה חדירה, פפטידים אמפיפיליים נחקרים רבות בהקשרי שיגור תרופות. כלומר, אריזת החומר הפעיל במיצלות ושחרורו באתר המטרה באופן ייעודי ומבוקר. הליבה של המיצלות הללו היא הידרופובית, ולכן הן מתאימות לנשיאת תרופות הידרופוביות. בנוסף, ניתן להשתמש במיצלות אלה להסעת חומר גנטי לאתר מטרה, לדוגמה לשימושי ריפוי גנטי כנגד תאי סרטן . I. W. Hamley, Self-assembly of amphiphilic peptides, Soft Matter 7, 2011-04-18, עמ' 4122–4138 doi: 10.1039/C0SM01218A S Zhang, T Holmes, C Lockshin, A Rich, Spontaneous assembly of a self-complementary oligopeptide to form a stable macroscopic membrane., Proceedings of the National Academy of Sciences 90, 1993-04-15, עמ' 3334–3338 doi: 10.1073/pnas.90.8.3334 J. D. Hartgerink, E. Beniash, S. I. Stupp, Self-assembly and mineralization of peptide-amphiphile nanofibers, Science (New York, N.Y.) 294, 2001-11-23, עמ' 1684–1688 doi: 10.1126/science.1063187 Honggang Cui, Matthew J. Webber, Samuel I. Stupp, Self-assembly of peptide amphiphiles: From molecules to nanostructures to biomaterials, Biopolymers 94, 2010-01-20, עמ' 1–18 doi: 10.1002/bip.21328 Mark P. Hendricks, Kohei Sato, Liam C. Palmer, Samuel I. Stupp, Supramolecular Assembly of Peptide Amphiphiles, Accounts of Chemical Research 50, 2017-10-17, עמ' 2440–2448 doi: 10.1021/acs.accounts.7b00297 Matthew J. Webber, Eric J. Berns, Samuel I. Stupp, Supramolecular Nanofibers of Peptide Amphiphiles for Medicine, Israel Journal of Chemistry 53, 2013-08, עמ' 530–554 doi: 10.1002/ijch.201300046 Sanket A. Deshmukh, Lee A. Solomon, Ganesh Kamath, H. Christopher Fry, Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan, Water ordering controls the dynamic equilibrium of micelle–fibre formation in self-assembly of peptide amphiphiles, Nature Communications 7, 2016-08-24, עמ' 12367 doi: 10.1038/ncomms12367 Julia H. Ortony, Baofu Qiao, Christina J. Newcomb, Timothy J. Keller, Liam C. Palmer, Elad Deiss-Yehiely, Monica Olvera de la Cruz, Songi Han, Samuel I. Stupp, Water Dynamics from the Surface to the Interior of a Supramolecular Nanostructure, Journal of the American Chemical Society 139, 2017-07-05, עמ' 8915–8921 doi: 10.1021/jacs.7b02969 Feng Qiu, Yongzhu Chen, Chengkang Tang, Xiaojun Zhao, Amphiphilic peptides as novel nanomaterials: design, self-assembly and application, International Journal of Nanomedicine 13, 2018-09-03, עמ' 5003–5022 doi: 10.2147/IJN.S166403 L. J. Magid, The Surfactant−Polyelectrolyte Analogy, The Journal of Physical Chemistry B 102, 1998-05-01, עמ' 4064–4074 doi: 10.1021/jp9730961 Muruganathan Ramanathan, Lok Kumar Shrestha, Taizo Mori, Qingmin Ji, Jonathan P. Hill, Katsuhiko Ariga, Amphiphile nanoarchitectonics: from basic physical chemistry to advanced applications, Physical Chemistry Chemical Physics 15, 2013-06-11, עמ' 10580–10611 doi: 10.1039/C3CP50620G Functional Molecular Gels, 2013-11-05. (באנגלית) Apurba K. Das, Pramod K. Gavel, Low molecular weight self-assembling peptide-based materials for cell culture, antimicrobial, anti-inflammatory, wound healing, anticancer, drug delivery, bioimaging and 3D bioprinting applications, Soft Matter 16, 2020-11-18, עמ' 10065–10095 doi: 10.1039/D0SM01136C Lihi Adler-Abramovich, Ehud Gazit, The physical properties of supramolecular peptide assemblies: from building block association to technological applications, Chemical Society Reviews 43, 2014-09-22, עמ' 6881–6893 doi: 10.1039/C4CS00164H Topaz Levi, Gal Yosefi, Ronit Bitton, Hanna Rapaport, Macroscopic membranes self‐assembled by alginate and a cationic and amphiphilic peptide for cell culture, Polymers for Advanced Technologies 33, 2022-11, עמ' 3832–3841 doi: 10.1002/pat.5657 Heiko Heerklotz, Joachim Seelig, Detergent-Like Action of the Antibiotic Peptide Surfactin on Lipid Membranes, Biophysical Journal 81, 2001-09-01, עמ' 1547–1554 doi: 10.1016/S0006-3495(01)75808-0 Baptiste Legrand, Mathieu Laurencin, Joe Sarkis, Emilie Duval, Liza Mouret, Jean-François Hubert, Murielle Collen, Véronique Vié, Céline Zatylny-Gaudin, Joël Henry, Michèle Baudy-Floc'h, Arnaud Bondon, Structure and mechanism of action of a de novo antimicrobial detergent-like peptide, Biochimica Et Biophysica Acta 1808, 2011-01, עמ' 106–116 doi: 10.1016/j.bbamem.2010.08.020 Huihui Kuang, Sook Hee Ku, Efrosini Kokkoli, The design of peptide-amphiphiles as functional ligands for liposomal anticancer drug and gene delivery, Advanced Drug Delivery Reviews, Peptides and Peptide Conjugates in Medicine 110-111, 2017-02-01, עמ' 80–101 doi: 10.1016/j.addr.2016.08.005 Maroof Adil, Lalitha Belur, Timothy R. Pearce, Rachel M. Levine, Alison W. Tisdale, Brent S. Sorenson, R. Scott McIvor, Efrosini Kokkoli, PR_b functionalized stealth liposomes for targeted delivery to metastatic colon cancer, Biomaterials Science 1, 2013-03-05, עמ' 393–401 doi: 10.1039/C2BM00128D