Proteins are large biomolecules consisting of one or more long chains of amino acid residues. They perform a vast array of functions within living organisms. In this thesis, we present analyses of different secondary structural elements (SSEs) in proteins and various methods developed for the same purpose. Using only the geometric parameters, a program for identification of SSEs has been developed, which is more sensitive to the local structural variations. An understanding of the factors that determine the length, geometry as well as location of a particular SSE in the protein is essential to fully appreciate their respective roles in protein structures. The comparative analysis of the geometry of α-helices identified by different programs showed that STRIDE assigned α-helices are more kinked. Conformation of Pro residues in α-helices has also been studied in detail. Several interesting conclusions are drawn from the comprehensive study of π-helices and PolyProline-II (PPII) helices. In the subsequent paragraphs, a brief summary of each chapter is provided. The Introduction (Chapter 1) summarizes the relevant literature, which includes both experimental as well as theoretical studies explaining the structural and functional importance of SSEs in proteins and lays down a suitable background for the subsequent chapters in the thesis. The major questions addressed and the main goals of this thesis are described to set a suitable stage for the detailed discussions. The methodologies involved are discussed in Chapter 2. These include protocol used for preparing non-redundant datasets of protein structures, various statistical methods used to test the significance of position-wise amino acid propensities and different programs used during the course of present investigations. SSEs play an important role in the folding of proteins. However, identification of these SSEs in proteins is a common yet important concern in structural biology. Chapter 3 details a new method ASSP (Assignment of Secondary Structure in Proteins), which uses only the path traversed by the Cα atoms of the consecutive residues. The algorithm is based on the premise that the protein structure can be divided into continuous or uniform stretches, which can be defined in terms of helical parameters and depending on their values, the stretches can be classified into different SSEs, viz. α, 310, π, extended β-strands and PPII and other left handed helices. The methodology was validated using an unbiased clustering of these parameters for a protein dataset containing 1008 protein chains, which advocate that there are seven well defined clusters associated with different SSEs. Apart from α-helices and extended β-strands, 310 and π-helices were also found to occur in considerable numbers. Various analyses demonstrated that the ASSP was able to discriminate the non α-helical segments from flanking α-helices, which were often identified as a part of α-helix by other algorithms. The standalone version of the program for the Linux as well as Windows operating systems is freely downloadable and the web server version is also available at http://nucleix.mbu.iisc.ernet.in/assp/index.html. Among all SSEs in proteins, α-helices are relatively well defined. However, a precise quantitative estimate of their geometrical features and identification of terminal residues is difficult. In Chapter 4, a set of major changes/ updates, implemented in the algorithm of in-house program for analysis of geometry of helices in proteins (HELANAL), has been discussed in detail. It defines the helix parameters based on the path traced by Cα atoms alone and classifies the geometry of the helices into linear, curved, kinked and unassigned type, by fitting the least square 3D line and sphere to the local helix origin points (LHOP). The geometry assigned using HELANAL-Plus is independent of the orientation of the helix in 3D space and also does not depend on the database from which it is taken. The program is made available as a webserver as well as standalone and the helices can be viewed in the JmolApplet along with the best fit helix axis, which makes HELANAL-Plus useful for analysing the inter helix interaction and packing. The utility of the webserver has been increased by incorporating the use of SSE assignment programs like ASSP, DSSP or STRIDE. Pro kinked helices and correlation with the UP and DOWN conformation of Pro were studied in more detail. HELANAL-Plus is available at http://nucleix.mbu.iisc.ernet.in/helanalplus/index.html. Linux/Unix and windows compatible executables are also available for download. The analyses of kinks in a dataset of helices indicated a correlation with the large radius of the cylinder encompassing the residue at which the kink has been observed and many a time ASSP identified that as a π-helix. The detailed analysis of π-helices was limited due to the low frequency of identification by different algorithms. ASSP identified 659 π-helices in 3582 protein chains, solved at resolution ≤ 2.5Å and validated by molprobity. Chapter 5 reports the detailed study of the functional and structural roles of π-helices along with the position-wise amino acid propensity within and around them. These helices were found to range from 5 to 18 residues in length with the average twist and rise being 85.2°±7.2° and 1.28ű0.31Å respectively. The investigation of π-helices illustrated that they occur mostly in conjunction with α-helices. The majority of π-helices, with flanking α-helices at both termini, were found to be conserved across a large number of structures within a protein family and induce local distortions in the neighbouring α-helices. The presence of a π-helical fragment leads to appropriate orientation as well as positioning of the constituent residues and hence facilitate favourable interactions and also help in proper folding of the protein chain. The comprehensive analyses of position-wise amino acid propensity within and around π-helices showed their unique preferences, which are different from those of α-helices. Additionally and most importantly, the study also brought to light the influence of π-helices on the residue preference in preceding or succeeding α-helices and vice-versa. Study of another important SSE in proteins (Chapter 6), PPII helices, was inspired by their large number of occurrence and initiated with the aim of understanding their structural and functional roles. These helices are defined as an extended, flexible left-handed helix without intra-helical H-bonds and found to occur very frequently. ASSP identifies 3597 PPII helices in 3582 protein chains. Though PPII helices occur on a much smaller scale than α-helices and β-strands, their sheer number is still more than that of π-helices. The analyses of PPII-helices revealed that almost 50% of the total helices do not contain Pro residues and show a preference for polar residues. PPII-helices were found in conjunction with major SSEs and they often connect them. These helices range from 3 to 13 residues in length with the average twist and rise being -121.2°±9.2° and 3.0ű0.1Å respectively. The analysis of various non-bonded interactions revealed the frequent presence of C-H…N and C-H…O non-bonded interactions. The analysis of the amino acid preference within and around PPII-helices showed the avoidance of aromatic residues within the helix, while preference of Gly, Asn and Asp residues in the flanking region. Detailed analyses of various functional and structural roles mediated by PPII-helices have also been carried out. Identification and analysis of non-bonded interactions within a molecule and with the surrounding molecules are an essential part of structural studies. Given the importance of these interactions, we have developed a new algorithm named MolBridge and Chapter 7 provides the detailed description about it. MolBridge is an easy to use algorithm based purely on geometric criteria that can identify all possible non-bonded interactions, such as hydrogen bond, halogen bond, cation…π, π…π and van der Waals, in small molecules as well as biomolecules. Various features available in the webserver make it more user-friendly and interactive. The Unix/Linux version of the program is freely downloadable and the web server version is available at http://nucleix.mbu.iisc.ernet.in/molbridge/index.php. The overall conclusion from the current investigation and the possible future directions are presented in Chapter 8. Our findings suggest that the path traversed by Cα atoms is enough for the identification of SSEs. We believe that the various algorithms (ASSP, HELANAL-Plus and MolBridge) developed can provide a better understanding of the finer nuances of protein secondary structures. ASSP can make an important contribution in the better understanding of comparatively less frequent structural motifs and identification of novel SSEs. The most comprehensive study of π-helices gives in-depth insight about it. The analysis of interspersed π-helices gives a comprehensive understanding of the local deformations and variations in the helical segments. Apart from studies embodied in the thesis, author has been involved in few other studies, which are provided as appendix: Appendix A describes a program RNAHelix, which can regenerate duplexes from the dinucleotide step and base pair parameters for a given double helical DNA or RNA sequence. It can be used to generate/ regenerate the duplexes with the non-canonical base pairing as well.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:42:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1200564 bytes, checksum: 7a0f61b430c00f9ecb6c3820735aa8e0 (MD5) Previous issue date: 2010-02-24 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The investigation of intra-individual variation of the rDNA cistron ITS in Carapichea ipecacuanha was made from direct sequencing of 26 individuals and from sequencing of 240 clones, representing another 51 individuals. The secondary structures of 5.8S and ITS2 regions show the typical configurations present in angiosperms respectively for 20 and 48 haplotypes. The comparison with the conserved motifs in angiosperms and the secondary structures obtained for the 5.8S region, the most reliable markers of functional sequences in C. ipecacuanha, allowed the identification of 13 pseudogenes among 26 haplotypes of 5.8S. The analysis of the secondary structure of ITS2 added one haplotype to the set of pseudogenes. The loss of functionality in some haplotypes has occurred prior to the others copies due to the accumulation of a larger number of substitutions and the formation of groups of pseudogenes that belong to distinct populations. / A investigação da variação intra-individual do cistron de rDNA ITS em Carapichea ipecacuanha foi realizada a partir de seqüenciamento direto de fragmentos de PCR de 26 indivíduos e do seqüenciamento de 240 clones, representando outros 51 indivíduos. As estruturas secundárias das regiões 5.8S e ITS2 apresentam as configurações típicas presentes em angiospermas respectivamente em 20 e 48 haplótipos encontrados. A comparação com os motivos conservados em angiospermas e as estruturas secundárias obtidas para a região 5.8S, indicadores mais confiáveis da funcionalidade das seqüências em C. ipecacuanha, permitiram a identificação de 13 pseudogenes entre os 26 haplótipos de 5.8S encontrados. A análise da estrutura secundária do ITS2 adicionou um haplótipo ao conjunto de pseudogenes. A perda de funcionalidade em alguns haplótipos deve ser mais antiga do que em outros em razão do acúmulo de maior número de substituições e da formação de grupos de pseudogenes pertencentes a populações distintas.

Spider silk is one of the most fascinating materials found in nature. Besides its properties like biodegradability, low immunoreactivity, and biocompatibility, especially the mechanical properties outperforming today’s artificial high-tech materials like Kevlar® are of great interest in biomedicine or material science. Spider silk comprises highly repetitive amino acid sequence motives, whose structure is accepted to be responsible for the extraordinary properties of spider silk. Typically, hydrophilic sequence motives alternate with hydrophobic ones making spider silk proteins resemble block copolymers. Additionally, the simple amino acid sequence and the possibility to form fibrillar structures are common characteristics of spider silk proteins as well as intrinsically disordered proteins (IDP) or protein regions (IDR). Both are suspected of being involved in the development of certain neurodegenerative diseases like Alzheimer´s disease. These aspects open promising possibilities of the use of spider silk proteins in nanotechnology, but also as model systems for the fibrillization processes of IDPs and IDRs, which are still unresolved today. Currently, most of the research and application is focused on 1-dimensional spider silk protein fibrils and fibers or 0-dimensional spider silk particles. However, 2-dimensional spider silk protein films or porous 3-dimensional objects are highly relevant platforms with the potential for cell-supporting scaffolds, biodegradable electrolyte materials in transistors, or e.g., planar drug-eluting implant coatings. Generally, the effects of sequence-based and external influences on the self-assembly and folding of spider silk proteins have not yet been fully elucidated in all of these various dimensional spider silk materials, even concerning IDP and IDR models. Thus, basic research regarding assembly and folding processes is still needed, especially in films. Particularly, 2-dimensional films allow a broad spectrum of (surface) analytical techniques, from whose outcome general structure-property relations of spider silk materials across all material dimensions can be obtained. In this work, engineered spider silk proteins, which are based on the consensus sequence motives in the spider silk fibroin (spidroin) 3 and 4 of the European garden spider Araneus diadematus (eADF4(Cx), eADF3(AQ)x, eADF3(QAQ)x) as well as blends of two short peptides with the respective aa sequence of the hydrophobic (pep-c) and hydrophilic (pep-a) part of eADF4(Cx) proteins were used. Spider silk-related proteins and peptides were dissolved in 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol or formic acid, processed as thin films, and post-treated with methanol vapor to induce β-sheet formation. Dichroic FTIR-spectroscopy was used, a powerful tool for studying protein secondary structure formation and orientation. Proteins reveal characteristic amide bands, which are highly sensitive to the conformation of the protein backbone. In the course of this work, a set of components for the line shape analysis (LSA) of the Amide I band was developed. Therby, each component was assigned to a typical secondary structure allowing a quantitative determination of the respective portions and their structural orientation. Quantitative secondary structure portions and their orientation could be determined on this basis. Furthermore, a comprehensive study of folding and self-assembly-influencing parameters like hydrophobic and hydrophilic sequences, molecular weight, the repeating sequence motive order, the film thickness, surface topography, and the surface chemistry in engineered spider silk protein and spider silk protein-based films was carried out. In general, methanol vapor post-treatment induced the formation of β-sheet structures in all films, causing phase separation and the formation of spherical and filamentous structures. The phase separation upon post-treatment was influenced by the covalent connectivity between hydrophobic and hydrophilic sequence parts as well as the repeating sequence motives. In thin films, the increased flexibility of shorter peptides enabled the formation of multipack filaments instead of spherical structures, which were formed by higher molecular weight proteins with several inter-connected repeating sequence motives. Stamping wrinkled structures using poly(dimethylsiloxane) substrates was possible. Filamentous structures were successfully assigned to β-sheet rich structures using infrared nanospectroscopy for the first time. Further, enhanced surface hydrophobicity led to the clustering of β-sheet filaments. The β-sheet content could be controlled by the amount of hydrophobic sequences in thin films. With a higher amount of hydrophobic sequences in the proteins or blends, the β-sheet content increased until a maximum β-sheet content of around 60% was reached. Additionally, β-sheet formation could be suppressed by increasing substrate hydrophobicity or by decreasing the number of repeating sequence motives by going from protein-like folding to peptide-like self-assembly. The backfolding of proteins with covalently linked repeating sequence motives further promoted the formation of more antiparallel β-sheets. Antiparallel β-sheet formation was also favored when the portion of the hydrophilic, amorphous phase was increased. Micrometer thick films did not reveal any preferred alignment of β-sheets, while a general out-of-plane orientation of β-sheets could be obtained in all thin protein, peptide, and blend films. Z-axial orientation in films was increased by using short pep-c and pep-a peptides, higher molecular weight proteins or the deposition of monolayered films instead of thin multilayered films. Also, increased hydrophilicity of the substrate promoted the alignment of β-sheets perpendicular to the substrate surface. The folding kinetics and final domain size were found to be directly correlated. The amount of hydrophobic phase, backfolding, and increased flexibility due to low chain lengths increased the folding kinetics and led to smaller domain sizes. Thus, competing effects of backfolding and flexibility of the protein/peptide backbone could be rationalized. The film integrity and water contact angle were directly related to the β-sheet content and the molecular weight. Beyond the classical protein conformation and orientation analysis, the possibilities and limits of orientation analysis using dichroic attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy were elaborated on the seemingly ideal oriented polymer model system of end-grafted poly(N,N-dimethylaminoethylmethacrylate) chains. Such a system featured a polymer brush regime in the swollen state with z-axial orientation expected similarly high as thin spider silk films after ptm. Moreover, dichroic ATR-FTIR spectroscopy is a promising analytical method for closing gaps in the defined assignment of brush regimes. In summary, general models of the structure formation and self-assembly of spider silk protein in films depending on the parameters mentioned above could be developed and set in relation to IDP/IDR self-assembly by using dichroic FTIR spectroscopy as the basic analysis method. The herein postulated models on the molecular level contribute to the understanding and development of future industrial applications of spider silk protein-based materials and the clarification of unresolved questions regarding IDP and IDR systems.:Abstract V Kurzfassung IX List of Publications XIII Publications in Trade Journals XIII Presentations and Posters XIII Contribution to Joint Publications XV List of Abbrevations XVII List of Symbols XIX List of Figures XXV List of Tables XXXIII 1 Introduction and Motivation 1 2 Theory 5 2.1 Proteins and Peptides 5 2.1.1 General Definition of Proteins and Peptides 5 2.1.2 Structure of Globular Proteins 7 2.1.3 Protein Folding 10 2.1.4 Intrinsically Disordered Proteins and Protein Regions 11 2.2 Block Copolymers 14 2.3 Spiders and Spider Silks 17 2.3.1 Classification of Spiders 17 2.3.2 The Natural Spider Silk Spinning Process 18 2.3.3 Structure of Spider Silk and Spider Silk Proteins 19 2.3.4 Structure-Property Relationships of Spider Silk 21 2.4 Infrared Spectroscopy 23 2.4.1 Basic Principles of Infrared Spectroscopy 23 2.4.2 Basic Equipment and IR-Technologies 27 2.4.3 Orientation Analysis using Dichroic FTIR Spectroscopy 32 2.4.4 Infrared Spectroscopy of Proteins and Peptides 38 2.4.5 Quantitative Analysis of TRANS- and ATR-FTIR Protein Spectra 43 2.5 Electronic Circular Dichroism 46 2.5.1 Basics Principles of Circular Dichroism 46 2.5.2 Circular Dichroism of Proteins and Polypeptides 48 2.5.3 Spectra Analysis 50 2.6 Atomic Force Microscopy 51 2.6.1 Setup of Atomic Force Microscopes 51 2.6.2 Basic Principles of Atomic Force Microscopy 52 2.6.3 AFM Operation Modes 55 3 Experimental Section 57 3.1 Materials 57 3.1.1 Chemicals 57 3.1.2 Substrates 57 3.1.3 Film Preparation 58 3.2 Analytical Methods 60 3.2.1 Dichroic FTIR Spectroscopy 60 3.2.2 Atomic Force Microscopy 64 3.2.3 Electronic Circular Dichroism 64 3.2.4 Spectroscopic Ellipsometry 64 3.2.5 Infrared Nanospectroscopy 65 3.2.6 Grazing Incident Small Angle X-Ray Scattering 66 4 Results 67 4.1 Self-Assembly of eADF4(C16) Films 67 4.1.1 Motivation 67 4.1.2 Dichroic FTIR Spectroscopy Characterization of ß-sheet Orientation in Spider Silk Films on Silicon Substrates 68 4.2 Influence of the Hydrophilic and Hydrophobic Blocks on Peptide Self-Assembly 90 4.2.1 Motivation 90 4.2.2 β-Sheet Structure Formation within Binary Blends of Two Spider Silk Related Peptides 90 4.2.3 Influence of the Hydrophilic and Hydrophobic Blocks on the Inner Morphology in Spider Silk Protein Based Blend Films 122 4.3 Influence of the Sequence Motive Repeating Number on Spider Silk Protein Folding 123 4.3.1 Motivation 123 4.3.2 Influence of Sequence Motive Repeating Number on Protein Folding in Spider Silk Protein Films 124 4.4 Influence of the Module Order on Spider Silk Protein Self-Assembly 152 4.4.1 Motivation 152 4.4.2 Secondary Structure upon Post-treatment 153 4.4.3 β-Sheet Orientation after Post-treatment 157 4.4.4 Morphology and Surface Properties 158 4.4.5 Conclusion 160 4.5 Surface Induced Changes of Spider Silk Protein Self-Assembly 161 4.5.1 Motivation 161 4.5.2 Variation of the Substrate Surface Chemistry and Topography 161 4.5.3 Influence of the Surface Topography on Protein Self-Assembly 162 4.5.4 Influence of the Surface Chemistry on Protein Self-Assembly 164 4.5.5 Conclusion 169 4.6 Chances and Limits of Dichroic ATR-FTIR Spectroscopy 170 4.6.1 Motivation 170 4.6.2 Novel Insights into Swelling and Orientation of End-Grafted PDMAEMA Chains by In-Situ ATR-FTIR Complementing In-Situ Ellipsometry 171 5 Conclusion and Outlook 197 6 References 203 7 Appendix 219 8 Danksagung 227 9 Eidesstattliche Versicherung 229

No description available.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Cette thèse présente une étude expérimentale et théorique de petites chaines peptidiques modèles en phase gazeuse. Le premier objectif de ce travail consistait à déterminer les conformations préférentiellement adoptées par ces molécules isolées, en vue d’obtenir des informations sur les interactions intra- et inter-moléculaires intervenant dans ces systèmes flexibles. La stratégie expérimentale utilisée associait la vaporisation laser à une détente supersonique et reposait sur la spectroscopie laser de double résonance IR-UV. L’attribution finale des structures a ensuite été réalisée par comparaison des spectres expérimentaux à des spectres issus de calculs de chimie quantique au niveau DFT-D. Dans un deuxième temps, il s’agissait d’étudier la dynamique de relaxation électronique de ces systèmes par spectroscopie pompe-sonde et mesures de fluorescence, et en particulier la dépendance de celle-ci avec la structure secondaire des peptides modèles. La question de la population conformationnelle de molécules flexibles en phase gazeuse est un sujet délicat et bien souvent éludée car les distributions observées expérimentalement résultent d’un passage hors équilibre lors de la détente supersonique, définissant ainsi une température conformationnelle effective. Un modèle statistique a été développé, décrivant le refroidissement et les isomérisations subis durant la détente par une molécule. Les résultats de ces modélisations reproduisent les tendances d’évolution des rapports d’abondances entre conformations observés expérimentalement et permettent de fournir des ordres de grandeurs relatifs aux processus mis en jeu (nombre de collisions efficaces, trajectoire dans la détente après désorption, températures finales) ainsi qu’une meilleure compréhension des processus de refroidissement et de relaxation conformationnelle. Les études conformationnelles ont été appliquées à deux systèmes modèles choisis pour étudier des interactions structurantes intervenant dans les protéines : les interactions protéines-solvant et les interactions hydrophobes. L’étude des complexes (Ac­Phe­NH₂ : H₂O) et (Ac­Phe­NHMe : H₂O) ont permis d’identifier les sites de solvatation préférentiellement occupés par une molécule d’eau et ainsi de proposer des mécanismes de formation des complexes dans la détente supersonique. Le rôle structurant très fort des interactions hydrophobes entre chaînes latérales aromatiques a pu être mis en évidence en étudiant deux peptides modèles contenant un enchainement de plusieurs acides aminés phénylalanine : Ac­Phe­Phe­NH₂ et Ac­Phe­Phe­Phe­NH₂. L’étude des dynamiques de relaxation du premier état excité ππ*, réalisée sur divers peptides modèles, a permis de démontrer la présence d’effets conformationnels importants. Des calculs de chimie quantique (TDDFT et CC2) réalisés sur les systèmes Ac-Phe NH₂ et Ac-Phe NHMe ont montré que cet effet pouvait être expliqué par un transfert d’excitation depuis le cycle aromatique présent sur la chaîne latérale vers les liaisons peptidiques de la chaine principale. Enfin, l’ajout d’une molécule d’eau sur le peptide Ac-Phe NH₂ semble ouvrir de nouvelles voies ultrarapides de relaxation non-radiative. / The very good spectral resolution of laser spectroscopy achieved in the gas phase is a powerful tool to study the folding properties and the hydrogen bonding network of flexible molecules such as small peptide chains. The experimental strategy used in this work to determine the structural properties of these systems is based on IR-UV double resonance spectroscopy and combines laser vaporisation with a supersonic expansion. The final assignment then requires a comparison between experimental spectra and DFT-D calculations. The conformational selectivity brought by gas phase laser spectroscopy also makes it possible to study the dependence of the dynamics of relaxation of electronic excited states of model peptides with their secondary structure by using pump-probe methods or fluorescence detection. The issue of the conformational population of flexible molecules cooled in a supersonic expansion is a difficult issue, often disregarded due to the nonequilibrium processes that control the distributions experimentally observed. A statistical model was developed in order to describe this collisional cooling and the isomerizations experienced by one molecule during the expansion. These calculations were consistent with the experimental trends in the population ratios between conformations, they have provided orders of magnitude for the different processes involved (number of collision, trajectory in the expansion after desorption, final temperatures) and a better understanding of the cooling processes and the conformational relaxation. The conformational studies have been applied to two model systems selected to investigate structural interactions involved in proteins: protein-solvent interactions and hydrophobic interactions. The microhydrated protected phenylalanines (Ac­Phe­NH₂ : H₂O) and (Ac­Phe­NHMe : H₂O) were used to locate the solvation sites preferentially occupied by a water molecule, which then helped to propose a mechanism for the formation of hydrates in the supersonic expansion. The strong structuring properties of hydrophobic interactions between aromatic side chains has been revealed by studying two model peptides containing a sequence of phenylalanine amino acids: Ac­Phe­Phe­NH₂ and Ac­Phe­Phe­Phe­NH₂. A comparative study of the relaxation dynamics of the first ππ* excited state performed on various model peptides has demonstrated the existence of a strong conformational effect. TDDFT and CC2 calculations carried out on the protected phenylalanines have shown that this effect could be explained by an excitation transfer from the aromatic ring of a side chain toward a peptide bond of the backbone. Finally, adding a water molecule to the protected phenylalanine is also found to open new ultrafast channels of nonradiative deactivation.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

No description available.

প্লাজমা ঝিল্লি একটি প্রাথমিক কার্যকরী ইউনিট হিসাবে একটি কোষ দক্ষ কার্যকরী জন্য অপরিহার্য হিসাবে গণ্য করা হয়। এই ঝিল্লিগুলি বহিরাগত কোষের কোষের ভিতরের অংশটিকে পৃথক করে এবং পাশাপাশি এটি জুড়ে চলমান নিয়ন্ত্রনের বাধা হিসাবে কাজ করে। প্লাজমা ঝিল্লিগুলি বিভিন্ন বিভিন্ন উপাদানের সাথে গঠিত, তবে সবার মধ্যে, ঝিল্লি প্রোটিনগুলিকে বৈজ্ঞানিক সম্প্রদায়ের দ্বারা প্লাজমা ঝিল্লির প্রধান কাঠামোগত এবং কার্যকরী স্তম্ভগুলির মধ্যে সর্বসম্মতিক্রমে গ্রহণ করা হয়। বৈজ্ঞানিক গবেষণায়, ঝিল্লী প্রোটিনগুলির কার্যকারিতা গুরুতর রোগের জন্য দায়ী বলে মনে করা হয়েছে। সুতরাং, এটি কৃত্রিম ট্রান্সমেম্রেন প্রোটিন ডোমেনগুলি ডিজাইন এবং বিকাশের জন্য একটি দুর্দান্ত বৈজ্ঞানিক আগ্রহ রয়েছে যা স্বাভাবিকের ত্রুটিগুলির সমাধান করতে সক্ষম। এই প্রোটিন ডোমেনগুলির ভাঁজ গঠন এবং ট্রান্সমেমব্রেন গতিবিদ্যা পিছনে আণবিক শক্তি এবং অন্যান্য পদার্থ-রাসায়নিক প্রক্রিয়াগুলি বোঝা হালনাগাদকৃত কৃত্রিম ট্রান্সমিম্ব্রেন প্রোটিন ডোমেনগুলি বিকাশের প্রক্রিয়ার অবিচ্ছেদ্য অংশ। গত দুই দশক ধরে, বিটা-পেপটাইডগুলি আরও প্রতিশ্রুতিশীল পেপটিডোমিম্যাটিক মোটিফগুলির মধ্যে একটি হিসাবে বিবর্তন হয়েছে। প্রোটিলাইটিক হ্রাসের বিরুদ্ধে অসাধারণ স্থিতিশীলতা এবং স্থিতিশীল হেলিকাল সেকেন্ডারি স্ট্রাকচার যেমন 14 -12- এবং বিকল্প 10 / 1২-হেলিসেসগুলি 4-6 এমিনো এসিডগুলি তৈরি করার ক্ষমতা, এর পিছনে দুটি প্রধান কারণ peptidomimetics মধ্যে β-peptides এর বিমোচন এন্ট্রি। অন্যান্য গুরুত্বপূর্ণ প্যারামিটারগুলির পাশাপাশি পেপটাইডের হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তটি ট্রান্সমেম্রেন সন্নিবেশ এবং বিস্তারের ক্ষেত্রে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা বলে মনে করা হয়। পেপটাইডগুলির হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তের সরাসরি পরীক্ষামূলক সিদ্ধান্ত অত্যন্ত চ্যালেঞ্জিং হচ্ছে, হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তের সম্ভাব্য প্রভাবগুলি কেবলমাত্র তাত্ত্বিকভাবে প্রস্তাবিত। অতএব, এই থিসিসের প্রধান উদ্দেশ্যগুলি ট্রান্সমেম্রেন সন্নিবেশ এবং বিস্তারের পাশাপাশি পরোক্ষ পরীক্ষার মাধ্যমে সেলুলার উপসর্গের মধ্যে হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তের সম্ভাব্য ভূমিকা পালন করা। সাধারণভাবে, β-peptides নির্দিষ্ট হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্ত থাকে তবে প্রাকৃতিকভাবে ঘটমান α-peptide analogues এর তুলনায় বিপরীত দিকে থাকে। ধারণাটি হল বিটা-পেপটাইডের একটি ধরণের সনাক্তকরণ এবং সংশ্লেষ করা যার প্রায় মোট কোনও হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্ত নেই এবং β-peptides সহ এবং হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল ছাড়া ট্রান্সমেমব্রেন সন্নিবেশ স্টাডিজগুলি অন্যান্য সমস্ত পরামিতিগুলিকে ধ্রুবক রাখে। ক্ষেত্রে, তারা ঝিল্লি সন্নিবেশের জন্য কোন ডিফারেনশিয়াল ক্ষমতা প্রদর্শন করে, এটি পরীক্ষামূলকভাবে নিজ নিজ পদার্থ-রাসায়নিক ঘটনায় হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোলের ভূমিকা নির্দেশ করবে। ব্যাপক গবেষণার পরে, বিকল্প β3 / β2-amino অ্যাসিডের সংযোজিত বিকল্প 10/12-হেলিকাল β-peptides তাদের অনন্য রূপান্তরিত অভিযোজন কারণে সামগ্রিক অলঙ্কৃত হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল পাওয়া যায় নি। অতএব, বিভিন্ন ধরণের β-peptides সহ 14-, 12- এবং বিকল্প 10/12-হেলিক্যাল পেপটাইড তুলনীয় ট্রান্সমেম্রেন দৈর্ঘ্য এবং ক্রম সহ বিভিন্ন সিন্থেটিক কৌশল মিশ্রিত করে সংশ্লেষিত করার পরিকল্পনা করা হয়েছে, যেমন মাইক্রোওয়েভ সহায়তায় ম্যানুয়াল SPPS, অ- মাইক্রোওয়েভ সহায়তায় ম্যানুয়াল SPPS, এবং ফ্লুরোস-ট্যাগ সংযুক্ত তরল ফেজ পেপটাইড সংশ্লেষণ। পরের ধাপে, পেপাইডাইডগুলির ট্রান্সমেমব্রেন সন্নিবেশ হাইড্রোফোবিক মাইক্রো-এনভায়রনমেন্ট সংবেদনশীল ট্রপ-ফ্লোরেসেন্স স্পেকট্রোস্কপি দ্বারা পরীক্ষা করা হবে। তিনটি ভিন্ন লিপিড, ডিএলপিসি / ডিএমপিসি / পিওপিসি এর একই গোষ্ঠীটি বিভিন্ন 14-, 12-এবং বিকল্প 10/12-হেলিক্যাল পেপাইডাইডের জন্য তুলনামূলক দৈর্ঘ্যের সাথে এইভাবে নির্বাচিত হয় যে নেতিবাচক হাইড্রোফোবিক মেলেম্যাচ ধীরে ধীরে একটি প্রায় পুরোপুরি hydrophobic ম্যাচিং পরিস্থিতি। এটি ভালভাবে জানা গেছে যে নেতিবাচক হাইড্রোফোবিক মেলেম্যাচের থ্রেশহোল্ড মানের উপরে ট্রান্সমেমব্রেন সন্নিবেশ সম্ভব নয়। অন্য দিকে, ইথানল মত শর্ট চেইন অ্যালকোহল, অ্যাসিড চেইন interdigitating দ্বারা লিপিড ঝিল্লি বেধ কমানোর একটি উচ্চারণ প্রভাব ভোগ করতে পরিচিত। অতএব, ETOH এর ক্রমবর্ধমান বৃদ্ধি ঘনত্বটি বিভিন্ন পেপটাইডের জন্য ব্যবহার করা হবে এবং একই লিপিডের জন্য একই পেপাইডাইডগুলির জন্য প্রতিটি পেপাইডাইডের জন্য প্রয়োজনীয় ন্যূনতম থ্রেশহোল্ড ঘনত্বের অনুরূপ নেতিবাচক হাইড্রোফোবিক মেলেম্যাচটি সাবধানে ন্যূনতম ক্ষতিপূরণ নেতিবাচক ক্ষতিপূরণ হিসাবে পর্যবেক্ষণ করা হবে। Trp-fluorescence বর্ণালী ক্রিয়ার সাহায্যে সফল ট্রান্সমেমব্রেন সন্নিবেশের জন্য অপরিসীম প্রয়োজন। এই পরীক্ষামূলক ফলাফল থেকে, এই সিদ্ধান্তে পৌঁছানো সম্ভব হবে যে পেপাইডাইডটি ETOH- এর আরো কম ঘনত্বের প্রয়োজন, যা নেতিবাচক মেলামেশের উচ্চতর ক্ষতিপূরণ, লিপিড ঝিল্লিতে পুনর্গঠন করতে সফলভাবে, ট্রান্সমেম্রেন সন্নিবেশ এবং বিস্তারের দিকে কম প্রবণ। ক্ষেত্রে, হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তের সাথে এবং পেপাইডাইডগুলি এই আচরণের প্রতি কোনও ডিফারেনশিয়াল প্রবণতা প্রদর্শন করে, এটি পরোক্ষভাবে নির্দেশ করে এবং পরীক্ষামূলকভাবে ট্রান্সমেম্রেন সন্নিবেশ এবং স্প্যানিংয়ের মধ্যে হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তের উল্লেখযোগ্য ভূমিকা যাচাই করবে (যেহেতু পেপাইডাইডগুলির মধ্যে প্রধান পার্থক্য হল হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তের উপস্থিতি এবং অনুপস্থিতি)। তাছাড়া, লিপিড পরিবেশের অভ্যন্তরে যখন চারিত্রিক হেলিক্যাল প্যাটার্নটি রক্ষণাবেক্ষণ করা হয় কিনা তা ব্যাখ্যা করার জন্য, বিভিন্ন পেপাইডাইডগুলির দ্বিতীয় হেলিক্যাল কাঠামো সমাধান এবং পাশাপাশি অভ্যন্তরীণ লিপিড ভিসিক্যালগুলিতে নির্ধারণ করা হবে। তাপমাত্রা নির্ভর সিডি-স্পেকট্রসকপি দ্বারা সমাধান হিসাবে তুলনায় লিপিড vesicles ভিতরে যখন 14- এবং 10/12-হেলিক্যাল পেপটাইড স্থিতিশীলতা পরিবর্তন করা হয় কিনা তা পরীক্ষা করা হবে। হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তটি সমাধান বা অভ্যন্তরীণ লিপিড vesicles মধ্যে সেকেন্ডারি হেলিকাল কাঠামো স্থিতিশীল করতে কোনো প্রভাব আছে কিনা তাও ইঙ্গিত করে। অবশেষে, 6-অ্যামিনো অ্যাসিড দীর্ঘ শৃঙ্খল চেইন 14-হেলিকাল এবং 10 / 1২-হেলিকাল 5 (6) -ফ্যাম সংযুক্ত পেপটাইডগুলি মানব ব্রোঞ্চিয়াল এডেনোকার্কিনোমা সেল লাইন A549 ব্যবহার করে সেলুলার আপটেক স্টাডিজের জন্য সংশ্লেষিত হয়। প্রথমটি ক্লোজোজেনিক অ্যাস এবং এমটিটি-অ্যাস দ্বারা একই কোষ লাইনে সাইটোটক্সিসটিটি পরীক্ষা করা হয়। যদি 1 μM ঘনত্ব না হওয়া পর্যন্ত অ-সাইটোটক্সিক পাওয়া যায়, তাহলে ফ্লোরোসেন্স অ্যাক্টিভেটেড সেল সোর্সিং (FACS) দ্বারা পরিমাণগত সেলুলার উত্তোলনের দক্ষতার দিকে আরও গবেষণা 14- এবং বিকল্প 10/12-হেলিক্যাল পেপাইডাইডগুলি হয়। একটি সুপরিচিত কোষ তীক্ষ্ণ পেপটাইড, এইচআইভি -1 ট্যাট, একটি রেফারেন্স মান হিসাবে ব্যবহৃত হয়। দুটি লক্ষ্য পেপটাইডগুলির মধ্যে সেলুলার আপটেক কার্যকারিতাগুলির মধ্যে কোন পার্থক্য পরীক্ষামূলকভাবে নির্দেশ করবে যে হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তটি ট্রান্সমেমব্রেন সন্নিবেশ এবং বিস্তারকে প্রভাবিত করে না তবে সেলুলার অ্যাকটেককেও নিয়ন্ত্রণ করে। FACS ফলাফলগুলি নিশ্চিত এবং সমর্থন করার জন্য, পেপাইডাইডগুলি কন confocal লেজার স্ক্যানিং ফ্লুরোসেন্স মাইক্রোস্কপি অধীনে দৃশ্যমান হবে। মাইক্রোস্কোপি ইমেজিং প্রদর্শন করবে যে টার্গেট পেপাইডগুলি প্রকৃতপক্ষে সেল অনুপ্রবেশের মাধ্যমে অভ্যন্তরীণ হয় কিনা বা শুধুমাত্র ঝিল্লিতে আটকা পড়ে। উপরন্তু, যদি কোন লক্ষ্য β-peptides উল্লেখযোগ্য কোষ অনুপ্রবেশ ক্ষমতা পাওয়া যায়, এটি নতুনত্ব, হাইড্রোফোবিক, uncharged সেল ভেতরে পেপটাইড (সিপিপি) প্রার্থী যারা proteases উপস্থিতি স্থিতিশীল স্থিতিশীল দিকে একটি নতুন বর্ণমালা খুলতে হবে। অবশেষে, এই সমস্ত গবেষণাগুলি পরীক্ষামূলকভাবে ট্রান্সমেম্রেন সন্নিবেশ, বিস্তার এবং সেলুলার উপসাগরীয় অঞ্চলে ঝিল্লি প্রোটিন ডোমেনের হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তের নিয়ন্ত্রক প্রভাবের উপর আলোকপাত করবে। এই তথ্যটি এই গুরুত্বপূর্ণ পদার্থ-রাসায়নিক ঘটনাগুলিতে পেপটাইড হেলিক্যাল ম্যাক্রো-ডিপোল মুহূর্তের প্রভাবকে মোকাবেলা করবে এবং β-পেপটাইড ভিত্তিক মডেল ট্রান্সমেম্রেন ডোমেন সিস্টেমগুলি পাশাপাশি β-পেপটাইড-ভিত্তিক নতুন প্রজন্মের কোষ তীব্র পেপটাইডগুলি ডিজাইনে সহায়তা করবে।