Cationic antimicrobial peptides: thermodynamic characterization of peptide-lipid interactions and biological efficacy of surface-tethered peptides

Abstract

CAPs are components of the innate immune system of mammalians and play an important role in the defense of all organisms, including plants, against invading pathogens. Their mode of action, based on interaction with the cell membrane and their properties, such as rapid action and a low tendency to stimulate the bacterial resistance have been considered as a promising basis for the development of a new class of antibiotics, particularly for topical application. In recent years, much effort has been focused upon modifying such peptides with respect to antimicrobial activity. However, only identification of the structural motifs and optimization of peptide interactions with the different classes of pathogens, such as Gram-positive or Gram-negative bacteria will provide the basis for the development of highly selective antimicrobial compounds. Furthermore, increasing efforts have been focused upon the development of antimicrobial surfaces, which inhibit the growth of bacterial adhesion and subsequent biofilm formation. W-substituted c-WFW analogs In the first part of this work, it was planned to identify interaction moieties on the cellular level and the driving forces responsible for the pronounced activity increase in RW-rich hexapeptides after induction of conformational constraints by peptide cyclization, using systematic modification of the hydrophobic cluster. For this, a small library of peptides based upon the sequence of cyclo-RRRWFW was prepared, in which W residues were replaced by unnatural analogs such as Dht, Igl, 5MeoW, 5fW, 5MeW, 1MeW, Bal and the beta-amino acid b3-hW with altered hydrophobicity, dipole and quadrupole moments, ability of hydrogen bonding, amphipathicity and flexibility of the cyclic peptide. This made allowed for the undertaking of a systematic investigation of aromatic clusters that affect peptide interactions with lipid systems mimicking the outer and inner membranes, as well as of the biological activities of peptides against E. coli, in comparison with Gram- positive B. subtilis and red blood cells. To understand the effect of the peptides upon both bacteria and eukaryotic cell membranes in detail, the peptides’ interactions with lipid bilayers, i.e., POPC, POPC/POPG (3/1 [mol/mol]) as models of the target membrane and POPC/LA (12/1 [mol/mol]), POPC/r-LPS (12/1 [mol/mol]), and POPC/s-LPS (12/1 [mol/mol]), as models of the outer membrane of Gram-negative bacteria were studied by isothermal titration calorimetry. Thermodynamic parameters for peptide-lipid interaction were determined using a surface partitioning equilibrium model and correcting for electrostatic effects by the Gouy-Chapman theory and the results were correlated with the biological data. The study showed that peptide activity against erythrocytes and bacteria can be explained on the basis of peptide accumulation at the lipid matrices of the target membranes driven by electrostatic interactions and subsequent membrane partitioning determined by hydrophobic interactions. Peptide hydrophobicity and backbone constraints are the crucial determinants of biological activity. Other modifications in the hydrophobic cluster of the cyclic hexapeptides have minor influence upon peptide interaction with biological systems and model membranes. The different susceptibilities of E. coli and B. subtilis can be explained by differences in the negative surface charge of the plasma membranes. Strong peptide interactions with the outer-membrane LPSs of E. coli probably influence the peptide transport across the outer wall, and thus are responsible for high activities of cycles. The activity of the peptides against B. subtilis increased with enhanced hydrophobicity. In contrast, any alterations in hydrophobicity, amphipathicity of the indole ring, and backbone flexibility modulated the antimicrobial activity against E. coli in a more complex way. The accumulation of the individual peptides to different lipid systems was found to be determined by electrostatic and hydrophobic interactions and followed the order: POPC/s-LPS >> POPC/r-LPS > POPC/POPG = POPC/LA > POPC. The hydrophobic contribution to binding to POPC and mixed POPC/POPG bilayers was comparable. Low hydrophobicity and conformational flexibility of the peptides reduced partitioning into the layers. The peptide binding was largely enthalpy-driven, which is in agreement with the nonclassical hydrophobic effect. In the presence of r-LPS and s-LPS the modulating role of hydrophobicity in partitioning of the different cyclic peptides decreased while no influence was found upon the low affinity of the highly flexible linear parent peptide. For lipid systems with incorporated r-LPS or s-LPS, the different cyclic peptides showed comparable binding affinities. However, the K0 values for interaction with POPC/s-LPS systems were almost by one order of magnitude larger than for binding to POPC/r-LPS bilayers which uncovers the significant role of the O-antigen and outer core oligosaccharides of LPS for more specific interactions of the cylic peptides. The reason why distinct differences in hydrogen bonding ability, dipole moment, and aromaticity of the W residues are not reflected in the thermodynamic characteristics of the peptide interactions with LPS-containing lipid bilayers remains to be elucidated. Site-specific immobilization of CAPs In the second part of this work, the influence of immobilization upon the activity profile of CAPs was analyzed. This study was to analyze a number of coupling parameters with respect to the use of peptides in the generation of biocidal surfaces. Resin beads bearing PEG spacers of different lengths and various size distributions (between 10−300 micrometer) were covered by linkage of an amphipathic model KLAL peptide, a magainin 2-amide-derived MK5E, melittin, buforin 2, and the RW-rich tritrpticin. The peptides were characterized by different modes of action. Standard SPPS, thioalkylation and oxime-forming ligation strategies were used to immobilize the peptides at C terminus and N terminus and via different side chain positions. The influence of resin bead parameters, such as spacer length, spacer density, and surface area available for peptide attachment were studied by the investigation of antimicrobial and bilayer permeabilizng activities of the peptides covered surfaces. Additionally, covalent immobilization of the CAPs to an insoluble solid material in combination with activity studies was developed as an alternative approach to elucidate the mode of action of the peptides. The antimicrobial peptides KLAL and MK5E were suitable for the production of antibacterial surfaces. The tethered peptides also act via permeabilization of the cell membrane. The free peptides showed antimicrobial activities against B. subtilis and E. coli at micromolar concentrations. Immobilization on resins reduced the antimicrobial activity spectra of the free peptides to millimolar concentrations. The activity profile against Gram negative and Gram positive bacteria and red blood cells remained constant. The length of spacer between the solid surface and active sequences is a critical parameter for peptide activity. The peptide activities decrease with reduction of the spacer length independent of amount of loaded peptide on solid surface. Furthermore, enhancement of surface area available for peptide attachment increases the biocidal activity of tethered peptides. Depending upon the mechanism of action of peptides, the coupling position affects the peptide activity. An appropriate coupling position has to be selected depending upon the orientation of the peptides in the membrane. Supports come from the biological and lipid bilayers permeabilizing activities of tethered KLAL with a “carpet-like” mode of action as compared with MEL, which forms pores through the peptide N-terminal insertion and association. Whereas the activities of tethered KLAL is independent of coupling position, N-terminal immobilization of MEL leads to the loss of the activities compared with the C-terminally tethered peptide. Based upon the relation between peptide activity, their positioning and association within the membrane, peptide tethering should make it possible to gain insight into the mechanisms of peptides action according to the “carpet-like mode” or pore formation via the “barrel stave” or “toroidal model”.

Kationische antimikrobielle Peptide sind Bestandteil des angeborenen Immunsystems von Säugetieren und spielen eine wichtige Rolle bei der Verteidigung aller Organismen gegen Krankheitserreger. Ihre Wirkungsweise über die Permeabilisierung der Zellmembran und ihre rasche Wirkung bei nur geringer Stimulation einer bakteriellen Resistenzentwicklung bilden eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung peptidischer Antibiotika, insbesondere für topische Anwendungen. In den letzten Jahren wurde vielfach versucht, Peptide im Hinblick auf ihre antimikrobielle Aktivität zu optimieren. Um selektive antimikrobielle Verbindungen zu entwickeln, müssen die Strukturmotive identifiziert werden, die für die Wechselwirkung der Peptide mit verschiedenen Klassen von Pathogenen, wie z. B. Gram-positiven oder Gram-negativen Bakterien, entscheidend sind. Darüber hinaus werden große Anstrengungen unternommen, um antimikrobielle Oberflächen zu entwickeln, die die bakterielle Adhäsion an Oberflächen und die dadurch ermöglichte Biofilmbildung hemmen sollen. W-substituierten c-WFW Analoga Im ersten Teil dieser Arbeit sollten sowohl die Interaktionsgruppen auf der Ebene von Zellmembranen als auch die Triebkräfte identifiziert werden, die für den ausgeprägten Aktivitätsanstieg bei Zyklisierung RW-reicher Hexapeptide verantwortlich sind. Für die systematische Modifizierung des hydrophoben Clusters der Peptide, wurde eine kleine Bibliothek von cyclo-RRRWFW- abgeleiteten Sequenzen synthetisiert, in denen W-Reste durch unnatürliche Analoga wie Dht, Igl, 5MeoW, 5fW, 5MeW, 1MeW, Bal und die beta-Aminosäure, b3-hW ersetzt wurden, was in einer Änderung der physiko-chemischen Eigenschaften, wie z. B. Hydrophobizität, Dipol- und Quadrupol-Moment, Fähigkeit zur Wasserstoffbrückenbildung, Amphipathie, und Flexibilität resultierte. Dies machte systematische Untersuchungen der aromatischen Clustern in Wechselwirkungen mit Membran-modellierenden Lipidsystemen möglich und erlaubte einen Vergleich der biologischen Aktivität der Peptide gegenüber Gram-negativen E. coli, Gram-positiven B. subtilis und roten Blutzellen. Um die Wirkung der Peptide auf bakterielle und eukaryotische Zellmembranen im Detail zu verstehen, wurde die Bindung der Peptide an verschiedene Lipid- Doppelschichten, nämlich POPC und POPC/POPG (3/1 [mol/mol]) als Modelle biologischer Targetmembranen und POPC/LA (12/1 [mol/mol]), POPC/r-LPS (12/1 [mol/mol]) und POPC/s-LPS (12/1 [mol/mol]) als Modelle der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien, durch isothermale Titrationskalorimetrie untersucht. Thermodynamische Parameter der Lipid-Peptid-Interaktionen wurden mittels eines Verteilungs-Modells bestimmt und bezüglich elektrostatischer Effekte nach der Gouy-Chapman Theorie korrigiert. Diese Ergebnisse wurden mit den biologischen Daten korreliert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Peptidaktivität gegenüber Erythrocyten und Bakterien durch die Peptidakkumulation, die durch elektrostatische Wechselwirkungen bestimmt ist sowie nachfolgende Verteilung in das hydrophobe Innere der Lipidmatrix erklärt werden kann. Die Peptidhydrophobizität und konformationelle Beschränkungen im Ring sind entscheidende Faktoren für die biologische Aktivität. Andere Modifikationen in den hydrophoben Clustern der Hexapeptide haben nur geringen Einfluß auf die Peptidwirkung gegenüber Zellen und auf Modelmembranen. Die unterschiedliche Empfindlichkeit von E. coli und B. subtilis Bakterien lässt sich auf Grundlage der unterschiedlichen Ladung der Plasmamembranen verstehen. Die Aktivität der Peptide gegen B. subtilis stieg mit erhöhter Hydrophobizität. Im Gegensatz dazu beeinflußt jede Änderung der Hydrophobizität, Amphipathie des Indolring und Flexibilität im Rückgrat die antimikrobielle Aktivität gegen E. coli in einer komplexeren Art und Weise. Starke Interaktionen der Peptide mit dem O-Antigen und Resten der äußeren Region von LPS in der äußeren Membran Gram- negativer E. coli sind wahrscheinlich für den effizienten Peptidtransport durch die äußere Barriere und damit die hohe Aktivität der Zyklen verantwortich. Die Akkumulation der Peptide an unterschiedliche Lipid-Bilayern wird durch elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen bestimmt und folgt der Reihenfolge: POPC/s-LPS >> POPC/r-LPS > POPC/POPG = POPC/LA > POPC. Der hydrophobe Beitrag zur Bindung an POPC und gemischte POPC/POPG Doppelschichten war vergleichbar. Geringe Hydrophobizität und konformationelle Flexibilität der Peptide reduziert die Verteilung in die Lipidschichten. Die Peptidbindung ist weitgehend Enthalpie-getrieben was dem nichtklassischen hydrophoben Effekt entspricht. In Anwesenheit von LA, r-LPS und s-LPS sinkt die modulierende Rolle der Hydrophobizität bei der Verteilung der verschiedenen zyklischen Peptide, wobei kein Einfluß auf die geringe Affinität des hochflexiblen linearen Ausgangspeptids gefunden wurde. Für Lipid-Systeme mit r-LPS oder s-LPS, zeigten die verschiedenen zyklischen Peptide vergleichbare Bindungsaffinitäten. Allerdings waren die hydrophoben Verteilungskoeffizienten für die Interaktion mit POPC/s-LPS-Systeme fast eine Größenordnung höher als für die Bindung an POPC/r-LPS-Doppelschichten. Das unterstreicht die bedeutende Rolle des O-Antigens und der Oligosaccharide im äußeren Kern des LPS als spezifischer Wechselwirkungspartner der zyklischen Peptide. Der Grund dafür, dass sich deutliche Unterschiede der Peptide in der Fähigkeit, Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, im Dipol-Moment und in der Aromatizität nicht in den thermodynamischen Eigenschaften ihren Interaktionen mit LPS- enthaltende Lipid-Doppelschichten widerspiegeln, bleibt noch aufgeklärt werden. Ortsspezifische Immobilisierung von CAPs Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss einer Immobilisierung kationischer antimikrobieller Peptide auf ihr Wirkprofil analysiert. Mit dieser Arbeit sollte ein Beitrag geleistet werden, um Peptide für die Entwicklung antimikrobieller Materialien einsetzen zu können. Dazu wurden Harze verschiedener Korngrößenverteilungen (zwischen 10−300 micrometer) und mit PEG-Spacern unterschiedlicher Längen mit dem linearen amphipatischen Modellpeptide KLAL, einem von Magainin 2-amide abgeleitetem MK5E-Peptid sowie den Peptiden Melittin, Buforin 2 und dem W-reichen Tritrptizin beladen. Die Peptide zeichnen sich durch unterschiedliche Wirkungsmechanismen aus. Die Peptide wurden mit Hilfe verschiedener Synthesestrategien: Standard Festphasen-Peptidsynthese, Thioalkylierung und Oxim-forming Ligation, über ihren C-terminus, N-terminus oder verschiedene Seitenkettenpositionen immobilisiert. Der Einfluss der Harzparameter, wie Länge und Dichte der Spacer oder der für die Peptidanbindung zur Verfügung stehenden Oberfläche sowie die Rolle der Peptidposition zur Immobilisierung wurde analysiert durch eine Bestimmung der antimikrobiellen und membranpermeabilisierenden Aktivität der beladenen Harze. Darüber hinaus wurde die Peptidimmobiliseirung an Syntheseharz als ein alternativer Ansatz zur Untersuchung der Wirkungsweise der Peptide eingesetzt. Die antimikrobiellen Peptide KLAL und MK5E sind zur Herstellung antibakterieller Oberflächen geeignet. Sie wirken auch im immobilisierten Zustand durch Permeabilisierung der Zellmembran. Die untersuchten freien Peptide zeigten antimikrobielle Aktivitäten gegen B. subtilis und E. coli im mikromolaren Konzentrationen. Immobilisierung am Harz reduziert die Peptidaktivität auf millimolare Konzentrationen. Das Aktivitätsprofil gegenüber Gram negativen, Gram positiven Bakterien und roten Blutzellen bleibt jedoch erhalten. Die Abstand zwischen der festen Oberfläche und der aktiven Sequenzen ist ein kritischer Parameter für die Peptid-Aktivität. Die Peptidwirksamkeit verringert sich mit Abnahme der Spacerlänge, unabhängig von der Menge der Peptids auf der Oberfläche. Andererseits, führt die Vergrößerung der verfügbaren Fläche für die Peptidkopplung zur einer Verbessrung der bioziden Wrikung. In Abhängigkeit vom Wirkungsmechanismus, beeinflusst die Kopplungsposition im Peptid die Aktivität entscheidend. Eine geeignete Kopplungsposition ist in Abhängigkeit von der Orientierung der Peptide in der Membran zu wählen. So ist die Aktivität von KLAL, für das eine Lokalisation in der Membranoberfläche und ein “Carpet-like” Wirkungsmodus vorgeschagen wird, im immobilisierten Zusand weitgehend unabhängig von der Kopplungsposition. Für Mellitin, das in Lipidschichten Poren bildet durch Insertion des N-terminus und Assoziation, muß N-terminale Immobilisierung zum Aktivitätsverlust führen. Dieser Zusammenhang sollte es möglich machen Peptidimmobilisierung als Methode zu entwickeln, um Aussagen zu den Modellen der Peptidwirkung zu gewinnen, die durch unterschiedliche Positionierung und Assoziation der Peptide in der Membrane charakterisiert sind.