Computational design of peptides that form transmembrane barrel pores

Rahul Deb, M.Sc.

Disertační práce

Anotace:

Malé α-helikální peptidy, které se samouspořádávají do transmembránových nanopórů ve tvaru soudku s centrálními vodními/iontovými kanály, jsou slibnými kandidáty na nové antimikrobiální a protinádorové látky. Takové peptidy se však v přírodě vyskytují jen zřídka a jejich návrh a optimalizace de novo jsou stále komplikované kvůli omezeným znalostem vztahů mezi sekvencí a funkcí a nedostatku pokynů pro nový návrh. Vyvinuli jsme výpočetní přístup pro de novo design peptidu za použití molekulové dynamiky. V rámci tohoto přístupu jsme zkoumali úlohu jednotlivých aminokyselin při stabilizaci pórů soudkovitého tvaru tvořených α-helikálními peptidy. Na základě výsledků jsme zformulovali soubor sekvenčních vzorů a pokyny pro návrh peptide stabilizujících póry. Výpočetní návrh peptidů jsme ověřili několika biofyzikálními experimenty, které naznačují, že navržené peptidy tvoří velké, stabilní a funkční transmembránové nanopóry. Navíc, jsme prokázali vysokou antimikrobiální aktivitu de novo navržených peptidů již při mikromolárních koncentracích. Zároveň tyto peptidy mají minimální toxicitu pro lidské buňky in vitro, což poskytuje základní sloučeninu pro další optimalizaci. Porozumění funkce jednotlivých částí sekvence nám umožnilo další optimalizaci získaných antimikrobiální peptidů tvořících póry. Pomocí počítačových simulací jsme nejprve systematicky mutovali nejúčinnější antimikrobiální peptid za účelem zvýšené stability póru. Následně jsme porovnali vypočtenou schopnost stabilizace póru s in vitro experimenty tvorby póru a antimikrobiální aktivitou, abychom otestovali jejich vzájemný vztah. Ačkoli je schopnost stabilizace póru zásadní, není limitujícím faktorem pro zlepšení antimikrobiální aktivity pod mikromolární koncentrace. Současná optimalizace afinity peptidů k bakteriálním membránám je nezbytná. Optimalizované peptidy účinněji narušují membrány s více vytvořenými póry, a tím účinněji zabíjejí bakterie rezistentní vůči antibiotikům v nanomolárních koncentracích. Také jsme ukázali optimalizaci peptidů pro protinádorové aplikace citlivé na pH. Naše schopnost de novo navrhnout a optimalizovat póry vytvářející peptidy se silnou antiinfekční a protinádorovou aktivitou a získané pokyny pro návrh takových peptidů poskytuje pevný základ pro budoucí zkoumání získaných sekvenčních vzorů směrem k potenciálním nanobiotechnologickým aplikacím.

Abstract:

Small α-helical peptides that self-assemble into transmembrane, barrel-shaped nanopores with central water/ion channels are promising candidates for new antimicrobial and anticancer treatments. However, such peptides are rarely found in nature, and their de novo design and optimization remain challenging due to limited knowledge of sequence-function relationships and the lack of design guidelines. We develop a computational de novo design approach using molecular dynamics simulations to investigate the role of individual residues of α-helical peptides in barrel-stave pore stabilization. Based on the results, we formulate design guidelines and a set of sequence patterns for barrel-stave pore-stabilizing peptides. The computational designs are verified by several biophysical experiments, which indicate that the designed peptides form large, stable, and functional transmembrane barrel-stave nanopores. We demonstrate the high antimicrobial activity of the de novo designed peptides already at micromolar concentrations. At the same time, these peptides have minimal toxicity to human cells in vitro, providing a hit compound for further optimization. Sequence-function understanding allows us to further optimize the obtained barrel-stave pore-forming antimicrobial peptides. Using computer simulations, we first systematically mutate the most potent antimicrobial peptide to improve pore stabilization. We then compare the computational pore-stabilizing ability with in vitro pore-forming activity and antimicrobial activity to test the correlation between them. While stable pore-forming ability is found to be essential, it is not the limiting factor for improving antimicrobial activity in the sub-micromolar concentration range. Simultaneous optimization of peptide affinity for bacterial membranes is essential. Optimized peptides disrupt membranes more effectively with an increased population of formed pores, thereby killing antibiotic-resistant bacteria more effectively at nanomolar concentrations. We also demonstrate peptide optimization for pH-sensitive anticancer applications. Our ability to de novo design and optimize barrel-stave pore-forming peptides with potent anti-infective and anticancer activity using established design guidelines provides a strong foundation for future exploration of sequence patterns towards potential nanobiotechnological applications.

Keywords

Výpočetní návrh peptidů, Nový design, Transmembránový pór, Sudový pór, Antimikrobiální peptidy, Protirakovinné peptidy Computational peptide design, De novo design, Transmembrane pore, Barrel-stave pore, Antimicrobial peptides, Anticancer peptides

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 17. 9. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 25. 10. 2024
• Vedoucí: prof. RNDr. Robert Vácha, PhD.
• Oponent: doc. RNDr. Karel Berka, Ph.D., doc. RNDr. Mgr. Jan Heyda, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biomolekulární chemie a bioinformatika / Biomolekulární chemie a bioinformatika