Interaction of antimicrobial peptides with model lipid membranes

Abstract

Die Resistenz gegen Antibiotika ist ein wachsendes Problem, das unsere Fähigkeit bedroht, Infektionen zu behandeln und auf die Notwendigkeit drängt, neuartige Alternativen für „konventionelle“ Antibiotika zu entwickeln, die weniger anfällig für die Entwicklung bakterieller Resistenzen sind. Antimikrobielle Peptide (AMPs) gehören zu den vielversprechendsten Anwärtern. Dieses liegt an ihrer Fähigkeit, biologische Membranen durch unspezifische Wechselwirkungen mit den Komponenten der Lipidmembranen zu stören. Trotz der großen Menge an experimentellen Daten sind viele Aspekte der AMPs noch nicht gut verstanden. Dieses schließt ihren molekularen Wirkungsmechanismus, die Rolle der Membraneigenschaften, den Einfluss der Struktur und der Eigenschaften der antibiotischen Peptide, das Ausmaß und die Signifikanz der Porenbildung und Membranmizellisierung ein. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Gruppen von synthetischen hergestellten AMPs verwendet: 1) zu unterschiedlicher Helizität neigende, amphipathische KLA-Peptide und 2) ein lineares sowie ein zyklisches arginin- und tryptophanreiches antimikrobielles Hexapeptid mit identischen Aminosäuresequenzen (Ac-RW bzw. C-RW). Um die Wechselwirkung dieser Peptide mit verschiedenen Modell-Lipidmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung zu untersuchen, wurden verschiedene biophysikalische Methoden wie z. B. DSC, ITC, DLS, IRRAS, FT-IR, und Epifluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Phosphatidylglycerol (PG), Phosphatidylethanolamin (PE) und PG/PE-Mischungen wurden als Modell der bakteriellen Zytoplasmamembran benutzt, während Phosphatidylcholin (PC) die äußere Membranschicht der Säugetier-zellen repräsentieren sollte. Unser Ziel war es, die Wechselwirkung zwischen der Peptidkonformation, der Membranzusammensetzung und den -eigenschaften, sowie den experimentellen Bedingungen zu untersuchen und deren Einfluss auf die Wirksamkeit der Peptide auf Modellmembranen zu indentifizieren. Zusätzlich konnte die unterschiedliche Bioaktivität der Peptide mit Hilfe der Experimente an Modellmembranen erklärt werden. Diese Studie erweitert unser Wissen und Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen AMPs und Modellmembranen. Die Koppelung der verschiedenen biophysikalischen Methoden erlaubt es, die untersuchten Systeme von verschiedenen Seiten zu erforschen sowie mögliche methodenabhängige Abweichungen der Resultate zu überprüfen. Unsere Ergebnisse zeigen die entscheidende Bedeutung der Peptidkonformation und der lokalen Peptidkonzentration für die Bestimmung der Wirkungsweise der AMPs. Unsere Studie weist außerdem daraufhin, dass ein Phänomen, das für bestimmte Lipidmembranen, Vorbereitungsverfahren und unter bestimmten experimentellen Bedingungen beobachtet wird, nicht unter allen Umständen verallgemeint werden darf.