Synthetic cells via direct aminolysis: from prebiotic chemistry to therapeutics

Abstract

[Abstract]: The development of synthetic cell models provides a unique platform to explore fundamental biological processes and engineer functional biomimetic systems. This tesis focuses on the bottom-up construction of artificial membranous systems through direct chemical strategies, emphasizing the design, synthesis, and self-assembly of lipid-based molecules under aqueous conditions. In the first chapter, we introduce a methodology for enzyme-free lipid synthesis based on the direct aminolysis of activated thioesters, enabling the formation of phospholipid analogues in aqueous media. These synthetic lipids spontaneously self-assemble into stable, micron-sized vesicular structures, displaying physicochemical properties and Dynamic behaviours that closely resemble those of natural phospholipids. Building on this platform, the second chapter explores a new class of amino acid-lipid conjugates that provide enhanced structural diversity and functional tunability. We demonstrate the use of various L-amino acids as versatile lipid headgroups and examine the impact of incorporating a permanently cationic group on vesicle formation, membrane fluidity, and stability. These modifications improve the vesicles’ electrostatic properties and structural robustness, highlighting the potential of amino-functionalized lipids as modular building blocks for increasingly complex synthetic membranes and bridging prebiotic chemistry with contemporary cell-mimetic systems. The third chapter extends these concepts to biofunctional applications, describing the synthesis of cationic lipid-peptide conjugates engineered for gene delivery. Using model DNA constructs and cellular assays, we demonstrate that these lipopeptides efficiently encapsulate and deliver genetic material into mammalian cells, offering a biocompatible alternative to traditional transfection vectors. A systematic evaluation of membrane composition, surface charge, and peptide architecture yields valuable insights into the relationship between chemical structure and functional performance in artificial membranes. Overall, this work establishes direct aminolysis as a versatile strategy for the bottomup construction of synthetic membranes with tuneable physicochemical and biological properties. By integrating rational molecular design with controlled self-assembly, we present a framework for generating advanced artificial cells that not only emulate key features of natural membranes but also expand their functional capabilities, opening new avenues in synthetic biology, drug delivery, and protocell research.

[Resumen]: El desarrollo de modelos celulares sintéticos proporciona una plataforma única para explorar procesos biológicos fundamentales y diseñar sistemas biomiméticos funcionales.Esta tesis se centra en la construcción bottom-up de sistemas membranosos artificiales mediante estrategias químicas directas, enfatizando el diseño, la síntesis y el autoensamblaje de moléculas lipídicas en condiciones acuosas. En el primer capítulo se introduce una metodología para la síntesis de lípidos basada en aminólisis directa de tioésteres activados, permitiendo la formación de análogos de fosfolípidos en medio acuoso. Estos lípidos sintéticos se autoensamblan espontáneamente en estructuras estables, mostrando propiedades fisicoquímicas y comportamientos dinámicos que se asemejan estrechamente a los de los fosfolípidos naturales. Sobre esta plataforma, el segundo capítulo explora una nueva clase de conjugados aminoácido-lípido, que aportan una mayor diversidad estructural y capacidad de modulación funcional. Se demuestra el uso de diferentes L-aminoácidos como grupos polares versátiles y se analiza el impacto de incorporar un grupo permanentemente catiónico en la formación de vesículas, la fluidez de la membrana y su estabilidad. Estas modificaciones mejoran las propiedades electrostáticas y la robustez estructural de las vesículas, destacando el potencial de los lípidos amino-funcionalizados como bloques modulares para membranas sintéticas cada vez más complejas, y conectando la química prebiótica con los sistemas contemporáneos que imitan células. El tercer capítulo amplía estos conceptos a aplicaciones biofuncionales, describiendo la síntesis de conjugados lípido-péptido catiónicos diseñados para la entrega génica. Mediante constructos de ADN modelo y ensayos celulares, se demuestra que estos lipopéptidos pueden encapsular y entregar eficientemente material genético en células de mamífero, ofreciendo una alternativa biocompatible a los vectores tradicionales de transfección. Una evaluación sistemática de la composición de la membrana, la carga y la arquitectura peptídica proporciona información valiosa sobre la relación entre estructura química y rendimiento funcional en membranas artificiales. En conjunto, este trabajo establece la aminólisis directa como una estrategia versátil para la construcción bottom-up de membranas sintéticas con propiedades fisicoquímicas y biológicas modulables. Integrando un diseño molecular racional con autoensamblaje controlado, se presenta un marco para generar células artificiales avanzadas que no solo emulan características clave de las membranas naturales, sino que amplían sus capacidades funcionales, abriendo nuevos caminos en biología sintética, entrega de fármacos e investigaciones protocelulares.

[Resumo]: O desenvolvemento de modelos celulares sintéticos proporciona unha plataforma única para explorar procesos biolóxicos fundamentais e deseñar sistemas biomiméticos funcionais. Esta tese céntrase na construción bottom-up de sistemas membranosos artificiais mediante estratexias químicas directas, enfatizando o deseño, a síntese e o autoensamblaxe de moléculas lipídicas en condicións acuosas. No primeiro capítulo introdúcese unha metodoloxía para a síntese de lípidos baseada na aminólise directa de tioésteres activados, permitindo a formación de análogos de fosfolípidos en medio acuoso. Estes lípidos sintéticos autoensámblanse espontaneamente en estruturas estables, mostrando propiedades fisicoquímicas e comportamentos dinámicos que se asemellan estreitamente aos dos fosfolípidos naturais. Sobre esta plataforma, o segundo capítulo explora una nova clase de conxugados aminoácido-lípido, que achegan unha maior diversidade estrutural e capacidade de modulación funcional. Demóstrase o uso de diferentes L-aminoácidos como grupos polares versátiles e analízase o impacto de incorporar un grupo permanentemente catiónico na formación de vesículas, na fluidez da membrana e na súa estabilidade. Estas modificación melloran as propiedades electrostáticas e a robustez estrutural das vesículas, destacando o potencial dos lípidos amino-funcionalizados como bloques modulares para membranas sintéticas cada vez máis complexas, e conectando a química prebiótica cos sistemas contemporáneos que imitan células. O terceiro capítulo amplía estes conceptos a aplicacións biofuncionais, describindo a síntese de conxugados lípido-péptido catiónicos deseñados para a entrega xénica. Mediante construtos de ADN modelo e ensaios celulares, demóstrase que estes lipopéptidos poden encapsular e entregar eficientemente material xenético en células de mamífero, ofrecendo unha alternativa biocompatible aos vectores tradicionais de transfección. Unha avaliación sistemática da composición da membrana, da carga e da arquitectura peptídica proporciona información valiosa sobre a relación entre a estrutura química e rendemento funcional en membranas artificiais. En conxunto, este traballo establece a aminólise directa como unha estratexia versátil para a construción bottom-up de membranas sintéticas con propiedades fisicoquímicas e biolóxicas modulables. Integrando un deseño molecular racional cun autoensamblaxe controlado, preséntase un marco para xerar células artificiais avanzadas que non só emulan características clave das membranas naturais, senón que amplían as súas capacidades funcionais, abrindo novos camiños na bioloxía sintética, na entrega de fármacos e na investigación en protocélulas.