Enzyme-instructed self-assembly of peptides containing phosphoserine to form supramolecular hydrogels as potential soft biomaterials

Abstract

Enzyme-instructed self-assembly (EISA) offers a facile approach to explore the supramolecular assemblies of small molecules in cellular milieu for a variety of biomedical applications. One of the commonly used enzymes is phosphatase, but the study of the substrates of phosphatases mainly focuses on the phosphotyrosine containing peptides. In this work, we examine the EISA of phosphoserine containing small peptides for the first time by designing and synthesizing a series of precursors containing only phosphoserine or both phosphoserine and phosphotyrosine. Conjugating a phosphoserine to the C-terminal of a well-established self-assembling peptide backbone, (naphthalene-2-ly)-acetyl-diphenylalanine (NapFF), affords a novel hydrogelation precursor for EISA. The incorporation of phosphotyrosine, another substrate of phosphatase, into the resulting precursor, provides one more enzymatic trigger on a single molecule, and meanwhile increases the precursors’ propensity to aggregate after being fully dephosphorylated. Exchanging the positions of phosphorylated serine and tyrosine in the peptide backbone provides insights on how the specific molecular structures influence self-assembling behaviors of small peptides and the subsequent cellular responses. Moreover, the utilization of D-amino acids largely enhances the biostability of the peptides, thus providing a unique soft material for potential biomedical applications.

Graphical abstract

Keywords

enzyme-instructed self-assembly / phosphoserine / phosphatase / supramolecular hydrogel

References

[1] Strobel S A, Cochrane J C. Rna catalysis: Ribozymes, ribosomes, and riboswitches. Current Opinion in Chemical Biology, 2007, 11(6): 636–643

[2] Green D R, Reed J C. Mitochondria and apoptosis. Science, 1998, 281(5381): 1309–1312

[3] Hershko A, Ciechanover A. The ubiquitin system. Annual Review of Biochemistry, 1998, 67(1): 425–479

[4] Mitchison T, Kirschner M. Dynamic instability of microtubule growth. Nature, 1984, 312(5991): 237–242

[5] Schiff P B, Fant J, Horwitz S B. Promotion of microtubule assembly in vitro by taxol. Nature, 1979, 277(5698): 665–667

[6] Meyers M A, Chen P Y, Lin A Y M, Seki Y. Biological materials: Structure and mechanical properties. Progress in Materials Science, 2008, 53(1): 1–206

[7] Kirschner M, Mitchison T. Beyond self-assembly—from microtubules to morphogenesis. Cell, 1986, 45(3): 329–342

[8] Korn E D, Carlier M F, Pantaloni D. Actin polymerization and Atp hydrolysis. Science, 1987, 238(4827): 638–644

[9] Whitesides G M. Bioinspiration: Something for everyone. Interface Focus, 2015, 5(4): 20150031

[10] Gao Y, Shi J, Yuan D, Xu B. Imaging enzyme-triggered self-assembly of small molecules inside live cells. Nature Communications, 2012, 3: 1033

[11] Li J, Kuang Y, Shi J, Gao Y, Zhou J, Xu B. The conjugation of nonsteroidal anti-inflammatory drugs (Nsaid) to small peptides for generating multifunctional supramolecular nanofibers/hydrogels. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2013, 9: 908–917

[12] Thornton K, Smith A M, Merry C L R, Ulijn R V. Controlling stiffness in nanostructured hydrogels produced by enzymatic dephosphorylation. Biochemical Society Transactions, 2009, 37(4): 660–664

[13] Wang W, Qian J, Tang A, An L, Zhong K, Liang G. Using magnetic resonance imaging to study enzymatic hydrogelation. Analytical Chemistry, 2014, 86(12): 5955–5961

[14] Yang Z, Ho P L, Liang G, Chow K H, Wang Q, Cao Y, Guo Z, Xu B. Using beta-L-actamase to trigger supramolecular hydrogelation. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(2): 266–267

[15] Guilbaud J B, Vey E, Boothroyd S, Smith A M, Ulijn R V, Saiani A, Miller A F. Enzymatic catalyzed synthesis and triggered gelation of ionic peptides. Langmuir, 2010, 26(13): 11297–11303

[16] Das A K, Collins R, Ulijn R V. Exploiting enzymatic (reversed) hydrolysis in directed self-assembly of peptide nanostructures. Small, 2008, 4(2): 279–287

[17] Williams R J, Gardiner J, Sorensen A B, Marchesan S, Mulder R J, McLean K M, Hartley P G. Monitoring the early stage self-assembly of enzyme-assisted peptide hydrogels. Australian Journal of Chemistry, 2013, 66(5): 572–578

[18] Toledano S, Williams R J, Jayawarna V, Ulijn R V. Enzyme-triggered self-assembly of peptide hydrogels via reversed hydrolysis. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(4): 1070–1071

[19] Yang Z, Ma M, Xu B. Using matrix metalloprotease-9 (Mmp-9) to trigger supramolecular hydrogelation. Soft Matter, 2009, 5(13): 2546–2548

[20] Bremmer S C, McNeil A J, Soellner M B. Enzyme-triggered gelation: Targeting proteases with internal cleavage sites. Chemical Communications, 2014, 50(14): 1691–1693

[21] Kalafatovic D, Nobis M, Son J, Anderson K I, Ulijn R V. Mmp-9 triggered self-assembly of doxorubicin nanofiber depots halts tumor growth. Biomaterials, 2016, 98: 192–202

[22] Qin X, Xie W, Tian S, Cai J, Yuan H, Yu Z, Butterfoss G L, Khuong A C, Gross R A. Enzyme-triggered hydrogelation via self-assembly of alternating peptides. Chemical Communications, 2013, 49(42): 4839–4841

[23] Bremmer S C, Chen J, McNeil A J, Soellner M B. A General method for detecting protease activity via gelation and its application to artificial clotting. Chemical Communications, 2012, 48(44): 5482–5484

[24] Song F, Zhang L M. Enzyme-catalyzed formation and structure characteristics of a protein-based hydrogel. Journal of Physical Chemistry B, 2008, 112(44): 13749–13755

[25] Choi Y C, Choi J S, Jung Y J, Cho Y W. Human gelatin tissue-adhesive hydrogels prepared by enzyme-mediated biosynthesis of dopa and Fe³⁺ ion crosslinking. Journal of Materials Chemistry. B, Materials for Biology and Medicine, 2014, 2(2): 201–209

[26] Zhou R, Kuang Y, Zhou J, Du X W, Li J, Shi J F, Haburcak R, Xu B. Nanonets collect cancer secretome from pericellular space. PLoS One, 2016, 11(4): e0154126

[27] Zhou J, Xu B. Enzyme-instructed self-assembly: A multistep process for potential cancer therapy. Bioconjugate Chemistry, 2015, 26(6): 987–999

[28] Zhou J, Du X W, Yamagata N, Xu B. Enzyme-instructed self-assembly of small D-peptides as a multiple-step process for selectively killing cancer cells. Journal of the American Chemical Society, 2016, 138(11): 3813–3823

[29] Zhou J, Du X W, Xu B. Regulating the rate of molecular self-assembly for targeting cancer cells. Angewandte Chemie International Edition, 2016, 55(19): 5770–5775

[30] Shi J F, Du X W, Yuan D, Zhou J, Zhou N, Huang Y B, Xu B. D-Amino acids modulate the cellular response of enzymatic-instructed supramolecular nanofibers of small peptides. Biomacromolecules, 2014, 15(10): 3559–3568

[31] Wang H, Feng Z, Wu D, Fritzsching K J, Rigney M, Zhou J, Jiang Y, Schmidt-Rohr K, Xu B. Enzyme-regulated supramolecular assemblies of cholesterol conjugates against drug-resistant ovarian cancer cells. Journal of the American Chemical Society, 2016, 138(34): 10758–10761

[32] Du X W, Zhou J, Xu B. Ectoenzyme switches the surface of magnetic nanoparticles for selective binding of cancer cells. Journal of Colloid and Interface Science, 2015, 447: 273–277

[33] Pires R A, Abul-Haija Y M, Costa D S, Novoa-Carballal R, Reis R L, Ulijn R V, Pashkuleva I. Controlling cancer cell fate using localized biocatalytic self-assembly of an aromatic carbohydrate amphiphile. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(2): 576–579

[34] Lv L, Liu H, Chen X, Yang Z. Glutathione-triggered formation of molecular hydrogels for 3d cell culture. Colloids and Surfaces. B, Biointerfaces, 2013, 108: 352–357

[35] Wang H M, Yang Z M. Short-peptide-based molecular hydrogels: Novel gelation strategies and applications for tissue engineering and drug delivery. Nanoscale, 2012, 4(17): 5259–5267

[36] Cai Y, Shi Y, Wang H, Wang J, Ding D, Wang L, Yang Z. Environment-sensitive fluorescent supramolecular nanofibers for imaging applications. Analytical Chemistry, 2014, 86(4): 2193–2199

[37] Wang H, Luo Z, Wang Y, He T, Yang C, Ren C, Ma L, Gong C, Li X, Yang Z. Enzyme-catalyzed formation of supramolecular hydrogels as promising vaccine adjuvants. Advanced Functional Materials, 2016, 26(11): 1822–1829

[38] Tian Y, Wang H, Liu Y, Mao L, Chen W, Zhu Z, Liu W, Zheng W, Zhao Y, Kong D, Yang Z, Zhang W, Shao Y, Jiang X. A peptide-based nanofibrous hydrogel as a promising DNA nanovector for optimizing the efficacy of Hiv vaccine. Nano Letters, 2014, 14(3): 1439–1445

[39] Sargeant T D, Aparicio C, Goldberger J E, Cui H G, Stupp S I. Mineralization of peptide amphiphile nanofibers and its effect on the differentiation of human mesenchymal stem cells. Acta Biomaterialia, 2012, 8(7): 2456–2465

[40] Zhang Y, Kuang Y, Gao Y A, Xu B. Versatile small-molecule motifs for self-assembly in water and the formation of biofunctional supramolecular hydrogels. Langmuir, 2011, 27(2): 529–537

[41] Yang Z, Liang G, Xu B. Enzymatic hydrogelation of small molecules. Accounts of Chemical Research, 2008, 41(2): 315–326

[42] Cui H, Cheetham A G, Pashuck E T, Stupp S I. Amino acid sequence in constitutionally isomeric tetrapeptide amphiphiles dictates architecture of one-dimensional nanostructures. Journal of the American Chemical Society, 2014, 136(35): 12461–12468

[43] Cui H, Muraoka T, Cheetham A G, Stupp S I. Self-assembly of giant peptide nanobelts. Nano Letters, 2009, 9(3): 945–951

[44] Zhou J, Du X, Berciu C, He H, Shi J, Nicastro D, Xu B. Enzyme-instructed self-assembly for spatiotemporal profiling of the activities of alkaline phosphatases on live cells. Chem, 2016, 1(2): 246–263

Acknowledgement

This work was partially supported by NIH (CA142746), NSF (MRSEC-1420382) and the W. M. Keck Foundation. We thank Brandeis EM and Optical Imaging facilities for TEM. JZ is an HHMI student fellow.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany