Potential role of phosphatidylethanolamine as a lipid receptor in the mode of action of synthetic cationic antimicrobial peptides derived from cecropin D-like peptide of greater wax moth Galleria mellonella. Studies in lipid model systems

Wzrastająca liczba opornych patogenów staje się globalnym zagrożeniem dla ludzkiego zdrowia, a co za tym idzie nasila się potrzeba wynalezienia alternatyw dla konwencjonalnych terapii. Coraz większym zainteresowaniem cieszą się peptydy przeciwdrobnoustrojowe (ang. antimicrobial peptides AMP), które stanowią potencjalne źródło nowych terapeutyków. AMP są syntetyzowane prawie przez każdy żyjący organizm i stanowią pierwszą linię obrony przed patogenami. Ponadto, niektóre wykazują właściwości immunomodulujące i przeciwzapalne. Mimo ogromnego zróżnicowania, AMP posiadają cechy wspólne: wypadkowy ładunek dodatni, hydrofobowość oraz budowę amfipatyczną, które są niezbędne do ich biologicznej aktywności. Przyjęto, że eukariotyczne peptydy przeciwdrobnoustrojowe działają w sposób niespecyficzny, oddziałując z ujemnie naładowaną błoną cytoplazmatyczną patogenu i powodując jej dezorganizację. Jednakże z doniesień literaturowych wynika, że niektóre cząsteczki AMP rozpoznają PE jako specyficzne lipidowe receptory wymagane do ich aktywności przeciwdrobnoustrojowej.W niniejszej pracy przeprowadzono porównawcze badania kationowych syntetycznych peptydów, ΔM1, ΔM3 oraz ΔM4, które uzyskano modyfikując neutralny peptyd cekropinę D-podobną oraz anionowy peptyd 2, które są naturalnie produkowane przez barciaka większego Galleria mellonella. Ich potencjalne oddziaływania z modelowymi układami lipidowymi zweryfikowano za pomocą metod kalorymetrycznych oraz spektroskopii fluorescencyjnej. Badania wykazały duże powinowactwo peptydów w stosunku do błon o charakterze neutralnym. Obecność badanych peptydów wpłynęła na zmianę wartości temperatury głównego przejścia fazowego oraz jego kooperatywność. Fosfolipidy użyte w badaniach (PC, PE) posiadają inną grupę aminową na N-końcu, co jest związane z różnicą w hydratacji ich polarnych głów. Wysokie powinowactwo względem PE jest przypisywane lepszej dostępności anionowej grupy fosforanowej lipidu dla peptydowych motywów kationowych, co sugeruje potencjalną rolę PE jako receptora lipidowego. Natomiast uwodniona polarna głowa PC pozwala na wbudowanie do błony. Dodatkowo przeprowadzone badania wycieku kalceiny podkreśliły kluczową rolę jaką mają właściwości fizykochemiczne peptydów dla ich aktywności biologicznej wskazując na to, że przy określonej proporcji peptyd:lipid może następować wzrost niepożądanej aktywności hemolitycznej.

„Potential role of phosphatidylethanolamine as a lipid receptor in the mode of action of synthetic cationic antimicrobial peptides derived from cecropin D-like peptide of greater wax moth Galleria mellonella. Studies in lipid model systems.”In the last decades, multidrug-resistant pathogens has become one of the greatest global threat to human health. Thus, an urgent need for novel antimicrobial agents has arisen. Antimicrobial peptides (AMPs) have attracted attention as promising drug candidates. These heterogeneous class of molecules are found virtually in all forms of life, constituting the first line of defence to combat pathogens. Furthermore, some of AMPs perform critical function in immune modulation and inflammation control. Despite a large diversity of antimicrobial peptides, they share common properties on macroscopic level: a net cationic charge, hydrophobicity and the ability to adopt an amphipathic conformation, which are necessary for their biological activity. It has been thought that eukaryotic antimicrobial peptides act in a non-specific way, interacting with pathogenic negatively charged cytoplasmic membranes and causing their permeabilization. However, some reports have suggested the use of zwitterionic phosphatidylethanolamine (PE) as a lipid receptor to promote their antimicrobial activities. To examine this hypothesis, a comparative study of cationic synthetic peptides, namely ΔM1, ΔM3 and ΔM4 obtained from modification of neutral cecropin D-like and anionic peptide 2 derived from Galleria mellonella, has been performed. The influence of peptides on model membranes was studied by calorimetry and fluorescence spectroscopy. The research showed high affinity of peptides for zwitterionic membranes. The presence of peptides had an impact on the main phase transition temperature of model bilayers. Results might suggest a potential mode of action of antimicrobial peptides in the eukaryotic membranes. Phospholipids used in this research (PC, PE) differ in their terminal amino groups, which results in differences in hydration level of their head groups. High affinity of peptides to PE can be attributed to a better accessibility of the phosphate group to the cationic side chains of the peptide, which in turn suggest a potential role of PE as a lipid receptor. The hydration of PC allows peptide molecules to get inserted into lipid bilayers. In addition, the effect of cationic peptides evaluated by use of calcein leakage assay emphasis how AMPs physicochemical properties are critical for their biological activity. Moreover, the enhancement of their hemolytic activity can occur at increased peptide/lipid molar ratio.