Aspartame-based Supramolecular Gelator and its Self-assembly Mechanism

Abstract

Supramolecular low molecular weight peptide gelators (LMWG) are extensively being explored as future soft materials as their nanostructures garner interests in a wide range of areas. Among them, 9-Fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc) conjugated short peptides are especially fascinating due to their exceptional self-assembly propensity in aqueous systems which makes them efficient candidate for various applications such as cell culture, drug delivery and environmental setting. However, these peptide amphiphiles are synthesized based on traditional solid-phase peptide synthesis involving expensive starting materials (Fmoc-protected amino acids) and also, are poorly understood for its self-assembly mechanism. If made cost effective and studied thoroughly for the driving force bringing about the effective hydrogelation, these short peptide hydrogels can be harnessed as an invaluable functional material spanning laboratory-based approach and real-life applications. In this regard, we designed and developed a novel self-assembling dipeptide hydrogel based on Aspartame (Apm), a cheap and commercially available artificial sweetener. We demonstrated its self-assembling behaviour and studied the inherent mechanism behind its gelation by probing various physical conditions and solvent systems. We also characterized the synthesized gelator by various spectroscopic studies. With all these insights, we further propose a potential application for this aspartame based hydrogel in oral drug delivery applications by making use of the methyl green (model drug) release studies from the disassembling gel under the action of a pancreatic enzyme at alkaline pH and its stability studies in acidic pH as a proof of concept investigation.

자체 조립(Self-assembly)이란 분자들이 고차원 구조를 형성하기 위하여 자기 결합하는 것을 말한다.특히 폴리 펩티드 및 단백질과 같은 생체 분자들은 자체 (자기) 조립 능력이 뛰어나다.이러한 펩티드 자기 조립으로 인하여 나노섬유 또는 초분자 구조들이 만들어져서 물에 용해되며 하이드로 겔을 형성시킨다. 펩티드는 천연 성분이기 때문에 이를 통해 제조 되는 하이드로 겔(Hydrogel)은 생체 적합성이 뛰어나 조직 공학이나 약물 전달에 어울리는 물질로서 구비할 모든 조건을 완벽히 갖추고 있다.이뿐만 아니라 의학분야, 환경 오염 개선 및 폐수 처리 등의 다양한 분야에서 이용가치가 큰 다기능 물질로 평가된다.

한편 단백질 또는 폴리 펩티드 하이드로 겔은 제조하는데 비용이 많이 든다.분자량이 매우 높기 때문이다.이와 같은 한계를 극복하기 위하여 저 분자량 디 펩타이드 또는 트리 펩티드를 통해 하이드로 겔을 제조하는 기술이 개발되었다.이러한 저 분자량 펩티드 물질을 아미노 보호족 커플링제(N-terminal coupling agent)와 결합하여 자기 조립 시키는 방법은 그 기술의 핵심이며 이러한 커플링제로서는 플루 오레닐 메틸옥시 카르보닐 잔기(Fmoc moiety)가 잘 알려져 있고 가장 많이 사용 되어 왔다.플루 오렌(Fluorene) 잔기는 ‘ㅠ-ㅠ’ 스태킹 (stacking) 및 소수성 효과(hydrophobic effect)로 인해 비공유 상호 작용 능력이 높아 쉽게 자기 조립 시키기 때문이다.이렇게 생산 되는 Fmoc-디 펩티드 및 Fmoc-트리 펩티드 하이드로 겔은 단백질 또는 폴리 펩티드 하이드로 겔보다 많은 장점을 가지며 다양한 분야에서 사용 가능성이 높다.

따라서 초분자 구조 기반 Fmoc-디 펩티드 하이드로 겔은 생체 적합성, 조정 성(tunability), 효율 등 여러 장점을 제시하고 있으나 이들은 아직 실제에 널리 응용되지 않고 있다.그 이유는 기존의 고체 상태 펩티드 합성(Solid State Peptide Synthesis)에서는 비싼 아미노산 물질들이 사용됨으로써 대량 생산이 쉽지 않기 때문이다.이런 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 값비싼 방법에서 벗어나 보통의 디 펩티드 제조 대신에 아스파탐(Aspartame)이란 값싼 인공 감미료(Artificial Sweetener)를 이용하여 하이드로 겔을 형성하였다.

아스파탐은 합성 감미료의 일종인 아스파틸-페닐알라닌-1-메틸 에스터의 이름으로 알려져 있고 대표적인 아미노산 계 합성 물질로 그 사용 폭이 매우 넓다.그러므로 본 연구는 기존 아미노산을 이용한 펩티드 합성법 대신에 아스파탐을 대표적인 디 페티드로 이용하며 Fmoc – 방향족 커플링제와 결합하여 자기 조립 시키며 하이드로 겔을 제조하는 방법을 제공한다. 이러한 Fmoc-Aspartame 하이드로 겔은 우수한 젤레이션(Gelation) 물성을 가지고 있다.게다가 이 하이드로겔은 산성(acidic) 환경에서의 안정성을 가지나 약한 염기성(basic) 조건에서 키모트립신(Chymotrypsin)이란 효소(enzyme)를 처리했을 때는 천천히 분해가 되는 독특한 겔이다.이 결과로 보아 이 겔은 경구 약물 전달 담체(Oral drug delivery carrier)로써 응용할 수 있다.아스파탐은 저렴하고 FDA 승인 식품 첨가물로 독성 문제가 없고 생체 적합성도 높은 물질이어서 이러한 하이드로 겔은 약물 전달 분야에 생체 소재로 활용시 높은 가치로 평가 될 수 있다.

따라서 본 연구는 기존의 Fmoc-디 펩티드 합성에서 벗어나 아스파탐과 Fmoc 잔기를 결합하여 하이드로 겔을 구성하는 저렴하고 능률이 높은 새로운 방법을 개발한 것이다. 또한 본 연구에서는 이 Fmoc-Aspartame 하이드로 겔을 Nuclear Magnetic Resonance (NMR), X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infra-red Spectroscopy (FTIR), Circular Dichroism Spectroscopy (CD), Simulation 등 여러 실험을 통해 특성 평가를 하였으며 이의 자기 조립 메커니즘도 확인할 수 있었다.또한 이 하이드로 겔을 경구 약물 전달 담체 물질로 제안하고자 모델 약물 전달 실험한 결과와 함께 제시하였다.