Действие антимикробных пептидов на биологические мембраны:

эффекты больших и малых концентраций

Сырямина В.Н., Афанасьева Е.Ф., Дзюба С.А.

De Zotti M.¹, Toniolo C.¹, Formaggio F.¹

¹Department of Chemical Sciences, University of Padova, Padua, Italy

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность

Мутации и антропогенные факторы приводят к появлению штаммов бактерий устойчивых к современным антибиотикам. Поэтому изучение и разработка антибактериальных препаратов является одним из ключевых направлений междисциплинарных исследований. Перспективными препаратами являются антимикробные пептиды (АМП) – небольшие белковые молекулы, которые оказывают как специфическое, так и неспецифическое воздействие на бактериальные клетки и применяются как антибактериальные и противораковые препараты.

Считается, что основной механизмом воздействия пептидов на клеточные мембраны заключается в нарушении целостности клеточных мембран путем формирования проводящих каналов, приводящих к лизису клеток. Появление каналов требует самоассоциации нескольких пептидов, что может произойти только при достаточно больших их концентрациях. Недавно было также обнаружено, что при связывании молекул пептида с мембраной клеток могут происходить локальные изменения в структуре мембраны, которые могут оказывать влияние на функционирование мембраны. Такие механизмы воздействия пептидов на патогенные клетки являются альтернативными и могут быть эффективными уже при малых концентрациях АМП.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение

Процесс построения канала в мембране зависит от ряда факторов, одним из которых является соотношение между размером пептида и толщиной мембраны. Поэтому в данном цикле работ проводится сравнительное исследование пептидов различной длинны и активности (относительно длинный аламетицин и относительно короткий трихогин) в модельной фосфолипидной мембране. В работе проводится исследование топологии и самоассоциации пептидов, а также влияние пептидов на распределение жирных кислот – важных компонентов мембран бактерий – в широком концентрационном диапазоне пептидов.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность

В работе использованы методы спектроскопии ЭПР, адаптированные для исследования фосфолипидных мембран. Для изучения формирования ионных каналов используется импульсный двойной электрон-электронный резонанс (PELDOR) в применении к спин-меченых пептидам. Для изучения влияния пептидов на распределение жирных кислот в мембране применяется метод «мгновенной» спектральной диффузии в спадах сигналов электронного спинового эха, в применении к спин-меченой стеариновой кислоте. Также использованы частично дейтерированные аналоги пептидов, что позволяет дать однозначный ответ о притяжении или отталкивании стеариновых кислот пептидными каналами.

4. Полученные результаты и их значимость

Экспериментально продемонстрирован ступенчатый процесс построения канала пептидом аламетицином. Продемонстрирован триггерный механизм формирования каналов пептидом трихогином. Показано, что аламетицин и трихогин меняют пространственное распределение жирных кислот в мембранах, что может быть альтернативным механизмом действия пептидов на клеточные мембраны бактерий.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым

Результаты опубликованы в высокорейтинговых журналах, неоднократно докладывались на международных и российских научных конференциях.

6. При наличии сторонних соавторов - вклад авторского коллектива

Вклад авторского коллектива в сделанные работы является определяющим. Вклад сотрудников Университета г. Падуи состоял в синтезе спин-меченых пептидов, их модификации и определении антимикробной активности.

Список прилагаемых статей

1.  Afanasyeva E. F., Syryamina V. N., Dzuba S. A. Communication: Alamethicin can capture lipid-like molecules in the membrane //The Journal of Chemical Physics. – 2017. – V. 146. – №. 1. – P. 011103.

2.  Syryamina V.N., De Zotti M., Toniolo C., Formaggio F., Dzuba S.A. Alamethicin self-assembling in lipid membranes: concentration dependence from pulsed EPR of spin labels //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2018. – V. 20. – №. 5. – P. 3592-3601.

3.  Afanasyeva E. F. et al. Peptide antibiotic trichogin in model membranes: Self-association and capture of fatty acids //Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Biomembranes. – 2019. – V. 1861. – №. 2. – P. 524-531.

4.  De Zotti M., Syryamina V.N., Hussain R., Longo E., Siligardi G., Dzuba S.A., Stella L., Formaggio F. A temperature‐driven, reversible helical handedness inversion in peptaibol analogs tuned by the C‐terminal capping moiety //ChemBioChem. – 2019. V. 20, - РР. 2125 – 2132.