Computer simulations of self-assembling nanofibers from thiophene-peptide oligomers [Elektronische Ressource] / Alexey Shaytan

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• Publié par: universitat_ulm
• Publié le: 01 janvier 2012
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 26 Mo

Extrait

Computer Simulations of
Self-assembling Nanofibers from
Thiophene-Peptide Oligomers



Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.
der Fakultät für Naturwissenschaften
der Universität Ulm

vorgelegt von

Alexey K. Shaytan
geb. in Moskau, Russland



Ulm, 2011 2 
 







































Amtierender Dekan: Prof. Dr. Axel Groß

1. Gutachter: Prof. Dr. Alexei R. Khokhlov

2. Gutachter: Prof. Dr. Axel Groß

Tag der promotion: 16. December 2011
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 “We are to admit no more causes of
natural things, than such as are both
true and sufficient to explain their
appearances.”
Isaac Newton (1643-1727)































This work was accomplished in between March 2009 and September 2011 in the
Institute of Polymer Science, University of Ulm, Germany
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 Abstract 
Polythiophenes are conductive polymers with outstanding semiconducting, optical,
electroluminescent and processing properties making them a promising compound class
for applications in organic electronics, sensor design, etc. The ability to organize
molecules into various functional structures at micro and nano scale in a controlled
fashion is now seen as an important challenge which will contribute to the ongoing
technological revolution in the field of nanotechnology. A perspective approach towards
the design of such structures is the chemical conjugation of synthetic polymers with
specific biopolymers which are known to self-assemble into well ordered supramolecular
aggregates. In the lab of Prof. Bäuerle, University of Ulm, several new hybrid compounds
have been recently synthesized containing the oligothiophene moiety conjugated with a
-sheet forming peptide, which are known to self-assemble into amyloid-like fibrillar
structures similar to those featured in many human diseases (Alzheimer, type II diabetes,
etc.). These compounds were indeed shown to self-assemble into fibrillar aggregates
(molecular nanowires) in organic solvent. However, the structure of the aggregates as
well as the rational understanding of the self-assembly principles and their properties
remained elusive. In this thesis we aimed at applying an arsenal of theoretical approaches,
including molecular mechanics, molecular dynamics, crystalline packing prediction,
dissipative particle dynamics, quantum chemistry calculations, etc. to deduce the possible
atomistic models for the arrangement of the molecules in the observed fibrils, study their
morphological, conformational and conducting properties, as well as develop a
methodology for computer simulations of these complex systems.
The thesis is organized as follows; in Introduction the motivation and aims of the
thesis are presented. Chapter 1 surveys our current understanding of the amyloid fibril
structure, formation and properties, the application of amyloid-like fibrils as a scaffold for
new nanomaterials as well as available information on the thiophene-peptide conjugates.
The theory and practical issues behind the computer simulations methods based on
molecular mechanics are surveyed in Chapter 2. Starting from Chapter 3 original results
are presented, beginning with the discussion of challenges encountered during the
computer simulations of large fibrillar aggregates at atomistic level. In Chapter 4 an
original attempt to predict the structure of fibrillar aggregates based on crystalline
structure prediction algorithms and subsequent large scale atomistic simulations of the
aggregates are presented. In Chapter 5 an original combined experimental/theoretical
methodology based on multi-scale atomistic simulations of fibrillar aggregates in solvent,
vacuum and on the substrate as well as virtual AFM simulations is developed. Using this
methodology the relations between the intermolecular arrangement and supramolecular
morphology of the fibrils were studied and a most probable structural model for the
experimentally observed fibrils was devised. We also discuss the basic principles of
fibrillar organization and advice further strategies for experimental study and design of
conducting nanowires formed by thiophene-peptide diblock oligomers. Chapter 6 is
devoted to quantum mechanical consideration of charge transfer along the molecular
wires formed by oligothiophene stacks within the fibrillar aggregates in terms of semi-
classical Marcus theory of charge transfer. The high dependence of charge mobility on
the peculiarities of molecular arrangement is elucidated.
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 Zusammenfassung 
Polythiophene sind leitfähige Polymere mit hervorragenden halbleitenden, optischen,
elektrolumineszenten und Verarbeitungseigenschaften. Aus diesem Grund handelt es sich
bei dieser Stoffklasse um ein vielversprechendes Material für Anwendungen in der
organischen Elektrotechnik, für Sensor-Design, etc. Die Fähigkeit, Moleküle auf eine
kontrollierte Art und Weise in verschiedenen, funktionellen Mikro- und Nanostrukturen
anordnen zu können, stellt eine wichtige Herausforderung dar, die zu der laufenden
technologischen Revolution im Bereich der Nanotechnologie beitragen wird. Eine
mögliche Herangehensweise solche Strukturen zu konstruieren ist die chemische
Konjugation synthetischer Polymere mit speziellen Biopolymeren, welche bekannt dafür
sind, selbständig in gut geordnete supramolekuläre Aggregate zu assemblieren. Im Labor
von Prof. Bäuerle, Universität Ulm, wurden vor kurzem eine Reihe neuer Hybrid-
Verbindungen synthetisiert, in denen die oligothiophene Einheit mit einem -
faltblattförmigen Peptid, welches sich bekanntlich in Amyloid-ähnliche, fibrilläre
Strukturen selbstorganisieren kann, konjugiert ist. Diese Strukturen ähneln Fibrillen, die
am Prozess vieler menschlichen Krankheiten (Alzheimer, Diabetes Typ II, etc.) beteiligt
sind. Für solche Verbindungen ist in der Tat die Selbstorganisation in fibrilläre Aggregate
(molekulare Nanodrähte) in organischen Lösungsmitteln beobachtet worden. Allerdings
waren die Struktur der Aggregate sowie das rationelle Verständnis des
Selbstorganisationsprozesses und dessen Eigenschaften schwer zu fassen. Ziel dieser
Arbeit ist es, durch die Anwendung eines Arsenals von theoretischen Ansätzen,
einschließlich der molekularen Mechanik, Molekulardynamik, Vorhersagen der
kristallinen Packung, dissipativen Partikeldynamik, quantenchemischen Berechnungen,
etc., mögliche atomistische Modelle für die Anordnung der Moleküle in den
beobachteten Fibrillen abzuleiten, die morphologischen und leitenden Eigenschaften der
Aggregate als auch deren Konformation zu studieren, sowie eine Methodik für
Computersimulationen dieser komplexen Systeme zu entwickeln.
Die vorliegende Arbeit ist wie folgt aufgebaut: Im Abschnitt Einleitung werden die
Motivation und die Ziele der Arbeit vorgestellt. In Kapitel 1 werden unser gegenwärtiges
Verständnis der Amyloid-Fibrillen-Struktur, dessen Entstehung und Eigenschaften, die
Anwendung von Amyloid-Fibrillen als Gerüst für neue Nanomaterialien, sowie die
verfügbaren Informationen über die Thiophen-Peptid-Konjugate, überprüft. Die Theorie
und die praktischen Probleme der Computersimulations-Methoden, welche auf der
Molekulardynamik basieren, werden in Kapitel 2 untersucht. Ab Kapitel 3 werden
unsere Ergebnisse präsentiert, beginnend mit der Diskussion über die Herausforderungen,
Simulationen großer fibrillärer Aggregate auf atomarer Ebene zu verwirklichen.
Kapitel 4 stellt einem ersten Versuch vor, die Struktur der fibrillären Aggregate auf der
Basis von kristallinen Struktur-Vorhersage-Algorithmen und anschliessenden
großräumigen, atomistischen Simulationen der Aggregate zu bestimmen. In Kapitel 5
wird die Entwicklung einer theoretisch/experimentell kombinierten Methodik
beschrieben, die auf atomistischen Multi-Skalen-Simulationen von fibrillären Aggregaten
in Lösungsmitteln, im Vakuum und auf Oberflächen, als auch auf virtuellen AFM-
Simulationen basiert. Mit dieser Methode wurden die Beziehungen zwischen der
intermolekularen Anordnung und der supramolekularen Morphologie der Fibrille
untersucht und damit das wahrscheinlichstes Strukturmodell für die experimentell
beobachteten Fibrille entwickelt. Zudem diskutieren wir die Grundprinzipien des
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 fibrillären Aufbaus und beschreiben weitere Strategien für experimentelle Studien und
mögliche Konstruktionen von leitfähigen Nanodrähten, welche aus Thiophen-Peptid-
Diblock Oligomere gebildet werden. Kapitel 6 konzentriert sich au