Die äußere Zellmembran ist eines der wichtigsten Schutzsysteme gramnegativer Bakterien. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung des Antibiotikums Polymyxin B (PmB) mit Lipopolysacchariden (LPS), dem häufigsten Lipidbestandteil der äußeren Zellmembran gramnegativer Bakterien, mit Röntgenmessungen, Monofilmexperimenten, mit kalorimetrischen Untersuchungen, dynamischen Lichtstreuungsexperimenten, Elektronenmikroskopie und Moleküldynamik-Simulationensrechnungen untersucht. Röntgenmessungen an ReLPS /PmB-Mischproben zeigen eine Abnahme des Doppelschichtabstands mit zunehmenden Polymyxinanteil. Monofilmmessungen deuten auf ein molare Verhältnis von n [PmB] / n [ReLPS] = 4 / 5 hin, was zu einer Ladungsneutralisation der Lipidschicht führt. In kalorimetrischen Messungen wurde mit steigendem Polymyxinanteil eine deutliche Abnahme der Phasenübergangsenthalpie von der Lb- in die La -Phase festgestellt. Eine Veränderung der Aggregationsform von kleinen unilamelaren Aggregaten zu wesentlich größeren multilamelaren Vesikeln ist in elektronenmikroskopischen Aufnahmen festgestellt worden. Die Reduzierung der Schichdicke und die Abnahme der Ordnungsgrads im Fettsäurebereich konnte in MD-Simulationen gezeigt werden.
Aufgrund dieser Ergebnisse wird ein zweistufiger Mechanismus für die Wechselwirkung von PmB mit LPS Membranen angenommen. Zunächst kommt es aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen zu einer schwachen Bindung des positiv geladenen PmB an der negativ geladen Lipidmembran, ohne das es zu einem Einbau des PmB kommt. Die hohe entgegengesetzte Ladung beider Moleküle führt im zweiten Schritt zu einem vollständigen Einbau des lipophilen Teils des Polymyxins, mit der Folge, daß der Ordnungsgrad des Fettsäurebereichs reduziert und die Oberflächenladung der Membran neutralisiert wird. Diese beiden Effekte führen wahrscheinlich dazu, daß die äußeren Membran ihre Funktion als Barrieren verliert.
The outer membrane is one of the main defense systems of gramnegative bacteria. In the present work, the interaction of the antibiotic polymyxin B (PmB) with lipopolysaccharide (LPS), the major lipid component of the outer membrane, was studied using x-ray diffraction, monofilm measurements, calorimetric methods, dynamic light scattering techniques, electron microscopy and molecular dynamics simulation.
X-ray diffraction showed a decrease in bilayer thickness of ReLPS/PmB mixed samples with increasing amount of PmB. Monofilm measurements suggested that at a molar ratio n[PmB]/n[ReLPS] of 4/5 neutralization of the charges in the lipid monolayer appears. In calorimetric studies with increasing amounts of PmB, the enthalpy of the phase transition from Lb to La was significantly reduced. Electron microscopic pictures revealed a change in aggregation form of LPS from small unilamellar to much larger, multilamellar vesicles upon addition of PmB. In the MD-simulations a decrease in the thickness of the lipid layer and an increase in fluidity within the fatty acid portion of LPS was found.
In combination, a two step mechanism for the interaction of PmB with LPS membranes is proposed. In the first step, electrostatic attractions lead to weak binding of the positively charged PmB to the negatively charged lipid without insertion of PmB into the membrane. Both the high density of opposite charges on LPS and on PmB are required to initialize the subsequent interactions. In the second step, the lipophilic part of PmB is completely inserted into the membrane causing a considerable decrease in the state of order of the fatty acids and neutralization of the membrane-surface charges. These latter effects might then be responsible for the known breakdown of the outer membrane barrier function.
