Artificial amyloid-like nanofibers formed from short peptides are emerging as new supramolecular structures for catalysis and advanced materials. In this work, we analyze, by means of computational approaches, the preferred atomistic fibrillar architectures that result from the self-assembly of polar NY7, NF7, SY7, SF7, and GY7 peptides into steric zippers formed by two β-sheets (describing an individual steric zipper) and by four β-sheets. For all heptapeptides, except GY7, parallel β-sheet organizations with polar residues packed at the steric zipper appear to be the preferred assemblies for the two β-sheets system due to the formation of a strong network of hydrogen bonds. For GY7, however, an antiparallel organization with glycine at the steric zipper is the most stable one. The preferred architecture is mostly conserved when enlarging our model from two to four β-sheets. The present work shows that the relative stability of different architectures results from a delicate balance between peptide composition, side chain hydrophobicity, and non-covalent interactions at the interface and provides the basis for a rational design of new improved artificial prion-inspired materials.

1.
R.
Nelson
,
M. R.
Sawaya
,
M.
Balbirnie
,
A. Ø.
Madsen
,
C.
Riekel
,
R.
Grothe
, and
D.
Eisenberg
,
Nature
435
,
773
(
2005
).
2.
S.
Abdelrahman
,
M.
Alghrably
,
J. I.
Lachowicz
,
A. H.
Emwas
,
C. A. E.
Hauser
, and
M.
Jaremko
,
Molecules
25
,
5245
(
2020
).
3.
P. C.
Ke
,
R.
Zhou
,
L. C.
Serpell
,
R.
Riek
,
T. P. J.
Knowles
,
H. A.
Lashuel
,
E.
Gazit
,
I. W.
Hamley
,
T. P.
Davis
,
M.
Fändrich
,
D. E.
Otzen
,
M. R.
Chapman
,
C. M.
Dobson
,
D. S.
Eisenberg
, and
R.
Mezzenga
,
Chem. Soc. Rev.
49
,
5473
(
2020
).
4.
D.
Otzen
and
R.
Riek
,
Cold Spring Harbor Perspect. Biol.
11
,
a033860
(
2019
).
5.
T. P. J.
Knowles
and
R.
Mezzenga
,
Adv. Mater.
28
,
6546
(
2016
).
6.
J.
Greenwald
,
W.
Kwiatkowski
, and
R.
Riek
,
J. Mol. Biol.
430
,
3735
(
2018
).
7.
I.
Weissbuch
,
R. A.
Illos
,
G.
Bolbach
, and
M.
Lahav
,
Acc. Chem. Res.
42
,
1128
(
2009
).
8.
O.
Zozulia
,
M. A.
Dolan
, and
I. V.
Korendovych
,
Chem. Soc. Rev.
47
,
3621
(
2018
).
9.
C. M.
Rufo
,
Y. S.
Moroz
,
O. V.
Moroz
,
J.
Stöhr
,
T. A.
Smith
,
X.
Hu
,
W. F.
Degrado
, and
I. V.
Korendovych
,
Nat. Chem.
6
,
303
(
2014
).
10.
O. V.
Makhlynets
,
P. M.
Gosavi
, and
I. V.
Korendovych
,
Angew. Chem.
128
,
9163
(
2016
).
11.
M. A.
Khalily
,
G.
Gulseren
,
A. B.
Tekinay
, and
M. O.
Guler
,
Bioconjugate Chem.
26
,
2371
2375
(
2015
).
12.
M.
Díaz-Caballero
,
S.
Navarro
,
M.
Nuez-Martínez
,
F.
Peccati
,
L.
Rodríguez-Santiago
,
M.
Sodupe
,
F.
Teixidor
, and
S.
Ventura
,
ACS Catalysis
,
11
,
595
(
2021
).
13.
M.
Díaz-Caballero
,
M. R.
Fernández
,
S.
Navarro
, and
S.
Ventura
,
Prion
12
,
266
(
2018
).
14.
M.
Wang
,
J.
Wang
,
P.
Zhou
,
J.
Deng
,
Y.
Zhao
,
Y.
Sun
,
W.
Yang
,
D.
Wang
,
Z.
Li
,
X.
Hu
,
S. M.
King
,
S. E.
Rogers
,
H.
Cox
,
T. A.
Waigh
,
J.
Yang
,
J. R.
Lu
, and
H.
Xu
,
Nat. Commun.
9
,
5118
(
2018
).
15.
M.
Díaz-Caballero
,
S.
Navarro
,
I.
Fuentes
,
F.
Teixidor
, and
S.
Ventura
,
ACS Nano
12
,
5394
(
2018
).
16.
R.
Sabate
,
F.
Rousseau
,
J.
Schymkowitz
, and
S.
Ventura
,
PLoS Comput. Biol.
11
,
e1004013
(
2015
).
17.
Y.
Miller
,
B.
Ma
, and
R.
Nussinov
,
J. Phys. Chem. B
119
,
482
(
2015
).
18.
F.
Peccati
,
M.
Díaz-Caballero
,
S.
Navarro
,
L.
Rodríguez-Santiago
,
S.
Ventura
, and
M.
Sodupe
,
Chem. Sci.
11
,
13143
(
2020
).
19.
X.
Periole
,
T.
Huber
,
A.
Bonito-Oliva
,
K. C.
Aberg
,
P. C. A.
van der Wel
,
T. P.
Sakmar
, and
S. J.
Marrink
,
J. Phys. Chem. B
122
,
1081
(
2018
).
20.
W. L.
Jorgensen
,
J.
Chandrasekhar
,
J. D.
Madura
,
R. W.
Impey
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
79
,
926
(
1983
).
21.
J. A.
Maier
,
C.
Martinez
,
K.
Kasavajhala
,
L.
Wickstrom
,
K. E.
Hauser
, and
C.
Simmerling
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
3696
(
2015
).
22.
D. A.
Case
,
R. M.
Betz
,
D. S.
Cerutti
,
T. E.
Cheatham
 III
,
T. A.
Darden
,
R. E.
Duke
,
T. J.
Giese
,
H.
Gohlke
,
A. W.
Goetz
,
N.
Homeyer
,
S.
Izadi
,
P.
Janowski
,
J.
Kaus
,
A.
Kovalenko
,
T. S.
Lee
,
S.
LeGrand
,
P.
Li
,
C.
Lin
,
T.
Luchko
,
R.
Luo
,
B.
Madej
,
D.
Mermelstein
,
K. M.
Merz
,
G.
Monard
,
H.
Nguyen
,
H. T.
Nguyen
,
I.
Omelyan
,
A.
Onufriev
,
D. R.
Roe
,
A.
Roitberg
,
C.
Sagui
,
C. L.
Simmerling
,
W. M.
Botello-Smith
,
J.
Swails
,
R. C.
Walker
,
J.
Wang
,
R. M.
Wolf
,
X.
Wu
,
L.
Xiao
, and
P. A.
Kollman
, AMBER 2016 (
University of California
,
San Francisco, CA
,
2016
).
23.
R. J.
Loncharich
,
B. R.
Brooks
, and
R. W.
Pastor
,
Biopolymers
32
,
523
(
1992
).
24.
J.
Åqvist
,
P.
Wennerström
,
M.
Nervall
,
S.
Bjelic
, and
B. O.
Brandsdal
,
Chem. Phys. Lett.
384
,
288
(
2004
).
25.
A.
Onufriev
,
D.
Bashford
, and
D. A.
Case
,
Proteins: Struct., Funct., Bioinf.
55
,
383
(
2004
).
26.
A.
Onufriev
,
D.
Bashford
, and
D. A.
Case
,
J. Phys. Chem. B
104
,
3712
(
2000
).
27.
G.
Sigalov
,
A.
Fenley
, and
A.
Onufriev
,
J. Chem. Phys.
124
,
124902
(
2006
).
28.
M. R.
Sawaya
,
S.
Sambashivan
,
R.
Nelson
,
M. I.
Ivanova
,
S. A.
Sievers
,
M. I.
Apostol
,
M. J.
Thompson
,
M.
Balbirnie
,
J. J. W.
Wiltzius
,
H. T.
McFarlane
,
A. Ø.
Madsen
,
C.
Riekel
, and
D.
Eisenberg
,
Nature
447
,
453
(
2007
).
29.
J.
Zheng
,
B.
Ma
, and
R.
Nussinov
,
Phys. Biol.
3
,
P1
(
2006
).
30.
M.
Gallagher-Jones
,
C.
Glynn
,
D. R.
Boyer et al.
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
25
,
131
134
(
2018
).
31.
R.
Akter
,
J.
Zou
, and
D. P.
Raleigh
,
Protein Sci.
29
,
555
(
2020
).
32.
M.
Garzoni
,
M. B.
Baker
,
C. M. A.
Leenders
,
I. K.
Voets
,
L.
Albertazzi
,
A. R. A.
Palmans
,
E. W.
Meijer
, and
G. M.
Pavan
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
13985
(
2016
).
33.
N.
Eswar
and
C.
Ramakrishnan
,
Protein Eng., Des. Sel.
13
,
227
(
2000
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.