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.

Key words： enzyme-instructed self-assembly; phosphoserine; phosphatase; supramolecular hydrogel

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.

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