Multidisciplinary approach to study the interaction of antimicrobial peptides with membrane models

Abstract

Antibiotic resistance has become one of the main health-related problematics worldwide in the last few decades. With the increasing risk and the difficulties in the development of new antibiotics, research has turn to alternative treatment options, such as the use of antimicrobial peptides (AMPs). The different pathways naturally secreted AMPs use to target bacteria, fungi and viruses show great promise as human therapeutics. Although already employed in some treatments, their implementation at a larger scale has been limited by the lack of understanding of their physical mechanisms of action. The aim of this work is to develop a well interconnected multidisciplinary approach that can give further insight into the mechanism of action of melittin, a well-known AMP. To this end, different types of biomimetic membranes were employed to address the interaction of melittin with bacterial cell membranes. Langmuir monolayers, lipid bilayers and thin solid lipid films were studied in the absence/presence of melittin by dynamic light scattering (DLS), Langmuir-Blodgett technique, solid-state nuclear magnetic resonance (ss-NMR) and atomic force microscopy (AFM). From this multidisciplinary approach it was possible to confirm that melittin has a strong influence in the packing, structural organization and size of liposomes. The presence of melittin disturbs the spatial arrangement of liposomes via strong electrostatic interaction with anionic phospholipids, and at higher concentration manages to penetrate the bilayers and disturb the acyl-chain region, as seen by ss-NMR and Langmuir-Blodgett. Additionally, it was possible to observe by AFM how melittin distorts the natural phase distribution of lipid films, and how at high concentrations it causes phase homogenisation and aggregation of both in solid thin films and liposome suspension.

A resistência aos antibióticos tornou-se um dos principais problemas relacionados com a saúde em todo o mundo nas últimas décadas. Com o risco crescente e as dificuldades no desenvolvimento de novos antibióticos, a investigação têm-se voltado para opções alternativas de tratamento, tais como o uso de peptídeos antimicrobianos (AMPs). As diferentes vias que os AMPs naturais usam para atingir bactérias, fungos e vírus têm suscitado interesse pela sua potencial aplicação como terapêutica humana. Embora já utilizados em alguns tratamentos, a sua implementação em maior escala tem sido limitada pela falta de compreensão dos mecanismos físicos envolvidos na interação com a membrana celular. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma abordagem multidisciplinar que possa fornecer mais informações sobre o mecanismo de ação da melitina, um AMP bem conhecido. Para tanto, diferentes tipos de membranas biomiméticas foram empregadas para estudar a interação da melitina com as membranas celulares bacterianas. Monocamadas de Langmuir, bicamadas lipídicas e filmes finos sólidos lipídicos foram estudados na ausência/presença de melitina por espalhamento dinâmico de luz (DLS), pela técnica de Lagmuir-Blodgett, por ressonância magnética nuclear de estado sólido (ss-NMR) e por microscopia de força atómica (AFM). A partir desta abordagem multidisciplinar foi possível confirmar que a melitina tem forte influência no empacotamento, organização estrutural e tamanho dos lipossomas. A presença de melitina perturba o arranjo espacial dos lipossomas através de interações eletrostáticas com os fosfolipídios aniónicos. Quando usada em maior concentração consegue até penetrar nas bicamadas e perturbar a região das cadeias acilo, como determinado por ss-NMR e Langmuir-Blodgett. Adicionalmente, foi possível observar por AFM como a melitina distorce a distribuição de fase natural dos filmes lipídicos, e como em altas concentrações causa homogeneização de fase e agregação de ambos em filmes finos sólidos e em suspensão de lipossomas.