Interakce amfifilních peptidů

Mgr. Ivo Kabelka, Ph.D.

Doctoral thesis

Interactions of Amphiphilic Peptides

Abstract:

Výskyt a šíření bakteriálních kmenů rezistentních na antibiotika představuje globální hrozbu pro veřejné zdraví. Infekce způsobené bakteriemi s mnohočetnou lékovou rezistencí se obtížně léčí a tyto bakterie jsou na světě každý rok zodpovědné za úmrtní statisíců lidí. V této práci se zabýváme studiem membránově aktivních peptidů, mezi které se řadí antimikrobiálních peptidy i peptidy penetrující membrány. Tyto peptidy jsou slibnými kandidáty pro další vývoj léčiv s vysokým účinkem nebo nosičů pro dopravu léků. Avšak mechanismus účinku těchto peptidů stále není zcela pochopen navzdory desetiletím výzkumu, což představuje problém pro jejich širší uvedení do klinické praxe. Tato práce se zaměřila na tři aspekty spojené s membránově aktivními peptidy: translokaci, tvorbu pórů a synergizmus. Kombinací dat z experimentů a počítačových simulací jsme přispěli k pochopení rolí (1) amfifilicity a flexibility peptidů a (2) lipidového složení membrán na výše zmíněné mechanismy účinku. Při studiu translokujících peptidů jsme popsali obecné vlastnosti peptidů, které jsou nezbytné pro spontánní translokaci. Tyto vlastnosti jsou však specifické pro membránu s daným lipidovým složením. Dále jsme ukázali, že membránové proteiny, které se nachází v biologických membránách, také mohou usnadňovat translokaci. Poté jsme se zaměřili na důsledky flexibility peptidů. Zjistili jsme, že flexibilní peptidy mají sice nižší afinitu k membránám, ale do membrány mohou proniknout stejně snadno jako rigidní peptidy. V předchozích studiích bylo ukázáno, že flexibilita peptidů může usnadňovat i znesnadňovat tvorbu membránových pórů. Pro tuto nesrovnalost jsme navrhli možné vysvětlení a ukázali jsme, že flexibilní peptidy jsou vhodné pro tvorbu toroidních pórů, ale nevhodné pro barelové póry. Navíc jsme ukázali, že pozice rezidua způsobujícího ohyb peptidu dokáže určit uspořádání peptidů v póru. Na závěr jsme ukázali, že synergistické chování peptidů Magainin 2 a PGLa je závislé na lipidovém složení membrán a že jejich mechanismus účinku také může být spojený s agregací membrán, fúzí a tvorbou houbovité fáze.

Abstract:

The emergence and spread of antibiotic-resistant bacterial strains represent a global threat to public health. Infections caused by multi-drug resistant bacteria are difficult to treat and such bacteria are responsible for the death of hundreds of thousands of people each year, worldwide. In this thesis we study membrane-active peptides, that comprise both antimicrobial and cell-penetrating peptides. These peptides are promising candidates for the development of new class of potent drugs or drug carriers. However, after decades of research, the mechanism of action of these peptides is still not well understood, which prevents their wider adoption in a clinical practice. This work focused on three different aspects of membrane-active peptides: translocation, pore formation, and synergism. By combining data from experiments and computer simulations, we contributed to the understanding of the roles of (1) peptide amphiphilicity and flexibility, and (2) lipid composition of membranes, on the aforementioned mechanisms of action. For translocating peptides, we found the general properties of peptides that are required for spontaneous translocation. We showed, however, that the properties are specific for a given lipid composition. In biological membranes, membrane proteins can further facilitate the translocation. Then, we also investigated the effect of peptide flexibility. We found that flexible peptides have lower affinity for membranes but can insert into the membrane as well as rigid peptides. Previously, peptide flexibility was described in literature to both improve and hinder the formation of membrane pores. We proposed a solution to this discrepancy by showing that flexibility is beneficial for the formation of toroidal pores and unfavorable for barrel-stave pores. Furthermore, we showed that the position of a kink-inducing residue can determine the peptide arrangement within the pore. Finally, we showed that the synergistic action of Magainin 2 and PGLa peptides is dependent on the lipid composition of membranes and that the mechanism of action can be also associated with membrane aggregation, fusion, or sponge-phase formation.

Keywords

Membránově aktivní peptid, Lipidová membrána, Počítačové simulace, Volná energie, Antimikrobiální peptid, Synergie, Membrane-active peptide, Lipid membrane, Computer simulations, Free energy, Antimicrobial peptide, Synergism

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 5. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Robert Vácha, PhD.
• Reader: prof. Mgr. Pavel Jungwirth, CSc., doc. Lorenzo Stella, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biomolecular chemistry and bioinformatics / Biomolecular chemistry and bioinformatics