Evaluating Fluorine’s Impact on Amyloid Formation – a Systematic Study Using a Coiled-Coil Based Model Peptide Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades des Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) eingereicht im Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie der Freien Universität Berlin vorgelegt von Ulla I. M. Gerling aus Prenzlau (Brandenburg), Deutschland Oktober 2013 1. Gutachterin: Prof. Dr. Beate Koksch (Freie Universität Berlin) 2. Gutachter: Prof. Dr. Rainer Haag (Freie Universität Berlin) Disputation am: 12.12.2013 ii ERKLÄRUNG Die vorliegende Arbeit wurde auf Anregung und unter Anleitung von Prof. Dr. Beate Koksch in der Zeit von Mai 2009 bis Oktober 20013 am Institut für Chemie und Biochemie des Fachbereiches Biologie, Chemie, Pharmazie der Freien Universität Berlin angefertigt. Hiermit versichere ich, die vorliegende Arbeit mit dem Titel „ Evaluating Fluorine’s Impact on Amyloid Formation – a Systematic Study Using a Coiled-Coil Based Model Peptide “ ohne Benutzung anderer als der zugelassenen Hilfsmittel selbständig angefertigt zu haben. Alle angeführten Zitate sind als solche kenntlich gemacht. Die vorliegende Arbeit wurde in keinem früheren Promotionsverfahren angenommen oder als ungenügend beurteilt. Berlin, Oktober 2013 Ulla Gerling Die Dissertation wurde in englischer Sprache verfasst. Aus dieser Dissertation gingen bisher folgende Veröffentlichungen hervor: • U.I.M. Gerling , M. Salwiczek, C. D. Cadicamo, H. Erdbrink, C. Czekelius, S. L. Grage, P. Wadhwani, A. S. Ulrich, M. Behrends, G. Haufe, B. Koksch; Fluorinated amino acids in amyloid formation: a symphony of size, hydrophobicity, and α-helix propensity; Chem. Sci. 2014, 5, 819-830. • J. Maity, U.I.M. Gerling , S. Vukeli ć, A. Schäfer, B. Koksch; Proline-glutamate chimera’s side chain conformation directs the type of β-hairpin structure; Amino Acids 2014, 46 , 177-186. • H. Erdbrink, E. K. Nyakatura, S. Huhmann, U.I.M. Gerling , D. Lentz, B. Koksch Constantin Czekelius; A synthesis of enantiomerically pure (2S,3S)-5,5,5- trifluoroisoleucine and (2R,3S)-5,5,5-trifluoro-allo-isoleucine; Beilstein J. Org. Chem. 2013 , 9, 2009-2014. • H. Erdbrink, I. Peuser, U.I.M. Gerling , D. Lentz, B. Koksch, C. Czekelius; Conjugate hydrotrifluoromethylation of α , β -unsaturated acyl-oxazolidinones: synthesis of chiral fluorinated amino acids; Org. Biomol. Chem . 2012 , 10 , 8583-8586. • M. Salwiczek, E. K. Nyakatura, U.I.M. Gerling , S. Ye, B. Koksch; Fluorinated Amino Acids: Compatibility with native protein structures and effects on protein-protein interactions; Chem. Soc Rev. 2012 , 41 , 2135-2171. iii For data security reasons the curriculum vitae has been omitted from the published version. v For data security reasons the curriculum vitae has been omitted from the published version. vi For data security reasons the curriculum vitae has been omitted from the published version. PUBLICATIONS , ORAL PRESENTATIONS , POSTER PRESENTATIONS PUBLICATIONS : 12. U.I.M. Gerling , M. Salwiczek, C. D. Cadicamo, H. Erdbrink, C. Czekelius, S. L. Grage, P. Wadhwani, A. S. Ulrich, M. Behrends, G. Haufe, B. Koksch; Fluorinated amino acids in amyloid formation: a symphony of size, hydrophobicity, and α-helix propensity; Chem. Sci. 2014, 5, 819-830. 11. J. Maity, U.I.M. Gerling , S. Vukeli ć, A. Schäfer, B. Koksch; Proline-glutamate chimera’s side chain conformation directs the type of β-hairpin structure; Amino Acids 2014, 46 , 177-186. 10. H. Erdbrink, E. K. Nyakatura, S. Huhmann, U.I.M. Gerling , D. Lentz, B. Koksch; A synthesis of enantiomerically pure (2 S,3 S)-5,5,5-trifluoroisoleucine and (2 R,3 S)- 5,5,5-trifluoro-allo-isoleucine; Beilstein J. Org. Chem. 2013 , 9, 2009-2014. 9. P. D. Rakowska, H. Jiang, S. Ray, A. Pyne, B. Lamarre, M. Carr, P. J. Judge, J. Ravi, U.I.M. Gerling , B. Koksch, G. J. Martyna, B. W. Hoogenboom, A. Watts, J. Crain, C. R. M. Grovenor, M. G. Ryadnov; Nanoscale imaging reveals laterally expanding antimicrobial pores in lipid bilayers; Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 2013 , 110 , 8918-8923. 8. H. Erdbrink, I. Peuser, U.I.M. Gerling , D. Lentz, B. Koksch, C. Czekelius; Conjugate hydrotrifluoromethylation of α , β -unsaturated acyl-oxazolidinones: synthesis of chiral fluorinated amino acids; Org. Biomol. Chem . 2012 , 10 , 8583- 8586. 7. J. Maity, P. Saha, U.I.M. Gerling , D. Lentz, B. Koksch; An approach for simultaneous synthesis of cis - and trans -3-substituted proline-glutamic acid chimeras. Synthesis ; 2012 , 44 , 3063-3070. 6. M. Salwiczek, E. K. Nyakatura, U.I.M. Gerling , S. Ye, B. Koksch; Fluorinated Amino Acids: Compatibility with native protein structures and effects on protein- protein interactions; Chem. Soc Rev. 2012 , 41 , 2135-2171. vii 5. R. Rezaei Araghi, C. Baldauf, U.I.M. Gerling, C. D. Cadicamo, B. Koksch; A systematic study of fundamentals in a-helical coiled coil mimicry by alternating sequences of b- und g-amino acids; Amino Acids 2011 , 41 , 733-742. 4. E. Brandenburg, H. v. Berlepsch, U.I.M. Gerling , C. Böttcher, B. Koksch; Inhibition of Amyloid Aggregation by Formation of Helical Assemblies; Chem. Eur. J. 2011 , 17(38) , 10651-10661. 3. U.I.M. Gerling , E. Brandenburg, H.v. Berlepsch, K. Pagel, B. Koksch; Structure Analysis of an Amyloid-Forming Model Peptide by a Systematic Glycine and Proline Scan; Biomacromolecules. 2011, 12(8) , 2988-96. 2. A.Botev, L.M. Munter, R. Wenzel, L. Richter, V. Althoff, J. Ismer, U. Gerling , C. Weise, B. Koksch, P.W. Hildebrand, R. Bittl, G. Multhaup; The Amyloid Precursor Protein C-Terminal Fragment C100 Occurs in Monomeric and Dimeric Stable Conformations and Binds γ-Secretase Modulators; Biochemistry, 2011 , 50 , 828- 825. 1. J.A. Falenski, U. Gerling , B. Koksch; Multiple glycosylation of de novo designed alpha-helical coiled coil peptides; Bioorg. Med. Chem. 2010, 18, 3703-3706. ORAL PRESENTATIONS AT CONFERENCES AND WORKSHOPS : 13. “Evaluating Fluorine’s Impact on Amyloid Formation - a Systematic Study Using a Coiled-Coil Based Model Peptide”; workshop “Biomolecules and synthetic nanostructures in cells and model systems: experimental and theoretical studies”, funded by Alexander von Humboldt Foundation , Kiev / Ukraine, 17.11. 2013 . 12. “Investigation of the Structure of Amyloid forming model peptides”; The Role of Sugar Moieties in Folding and Assembly of Amyloids – Novel Targets for Treating Neurodegenerative Diseases , Workshop of Freie Universität Berlin – Tel Aviv University, Berlin / Germany, 07.11. 2013 . 11. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; Summer School 2013 of the Helmholtz Graduate School for “Macromolecular Bioscience ”, Berlin / Germany, 23.09. 2013 . viii 10. “Der Einfluss fluorierter Aminosäuren auf Amyloid-bildende Modellpeptide”; Defence for the second period of funding for the Graduate School # 1582 “Fluorine as a Key Element ”, Berlin / Germany, 17.09.2013 . 9. “Forschungspraktikum: Peptide, Struktur und ihre Funktion”; Ideenwerkstatt zur Forschungsorientierten Lehre in interdisziplinären Verbundprojekten , Berlin / Deutschland, 04.07.2013 . 8. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; 1st PhD workshop of the Helmholtz Graduate School for “Macromolecular Bioscience ”, Teltow / Germany, 29.04. 2013 . 7. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; Seminar of the Graduate School # 1582 “Fluorine as a Key Element ”, Berlin / Germany, 08.02. 2013 . 6. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; 21 st Winter Fluorine Conference ”, St. Pete Beach (Fl) / USA, 17.01. 2013 . 5. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; 3rd PhD workshop of the Graduate School # 1582 “Fluorine as a Key Element ”, Burg / Germany, 23.10. 2012 . 4. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; 6th Peptide Engineering Meeting ”, Atlanta (GA) / USA, 03.10. 2012 . 3. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; Seminar of the Graduate School # 1582 “Fluorine as a Key Element ”, Berlin / Germany, 27.01. 2012 . 2. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; 1st PhD workshop of the Graduate School # 1582 “Fluorine as a Key Element ”, Rheinsberg / Germany, 08.10. 2010 . 1. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; 14. Deutscher Fluortag ”, Schmitten / Germany, 27.09. 2010 . ix POSTERS : 4. “Der Einfluss fluorierter Aminosäuren auf Amyloid-bildende Modellpeptide”; Defence for the second period of funding for Graduate School # 1582 “Fluorine as a Key Element ”,, Berlin / Germany, 17.09. 2013 . 3. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; 243 th ACS National Meeting , San Diego (CA) / USA, 25.03.-29.03. 2012 . 2. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; 10 th German Peptide Symposium , Berlin / Germany, 07.03.-10.03. 2011 . 1. “The Influence of Fluorine on Amyloid forming Model Peptides”; Perugia Fluorine Days , Perugia / Italy 11.07.-15.07. 2010 . x DANKSAGUNG Ich danke Frau Prof. Dr. Beate Koksch für die Überlassung dieses vielseitigen Themas. Besonders dankbar bin ich für den mir stets gewährten Freiraum eigene Ideen zu verfolgen und umzusetzen. Darüber hinaus danke ich Ihr für die Förderung meiner Arbeit durch die Teilnahme an zahlreichen nationalen und internationalen Konferenzen, die es mir ermöglichten in Kontakt mit vielen Wissenschaftlern zu treten. Herrn Prof. Dr. Rainer Haag danke ich für die Übernahme des Zweitgutachtens meiner Dissertation. Ich bedanke mich herzlich bei Frau Dr. Allison Ann Berger für die zügige und gründliche Korrektur dieser Dissertation sowie zahlreicher