Estudo da interação dos peptídeos antimicrobianos MP1 e H-MP1 com modelo de membranas bacterianas por dinâmica molecular
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Data
2021-06-28
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
PeptÍdeos antimicrobianos (PAMs) são parte do sistema imune de muitas espécies e, devido ao seu modo de ação, dificultam o desenvolvimento de cepas de bactérias resistentes promovidas por antibióticos convencionais, sendo assim compostos que têm potencial de aplicação antibiótica. Os PAMs são, geralmente, ricos em resíduos de aminoácidos catiônicos e hidrofóbicos e agem diretamente na fase lipídica da membrana celular. O peptídeo Polybia-MP1 é um peptídeo extraído da vespa Polybia paulista e possui amplo espectro bactericida em bactérias Gram-negativas e Gram-positivas e não e hemolítico nem citotóxico. O H-MP1 é um análogo sintético em que as lisinas do MP1 são substituídas por histidinas, para que a carga líquida possa responder as mudanças no pH da solução. Nesse trabalho usamos técnicas biofísicas computacionais para investigar o efeito do pH da solução nas propriedades estruturais desses peptídeos e na sua interação com a bicamada lipídica que mimetiza a membrana celular de bactérias Gram-negativas. Os resultados indicam que a adsorção do H-MP1, sensível ao pH, aumenta com um ambiente acido se assemelhando ´ ao MP1, que não é influenciado pela pequena variação de pH da solução. As simulações de Dinâmica Molecular mostraram que o processo de adsorção de ambos os peptídeos se inicia pela interação do N-terminal com a bicamada, seguido por uma completa adsorção do peptídeo paralelo ao plano da bicamada, induzindo aumento no conteúdo helicoidal o que intensificou o contato do peptídeo com a fase hidrofóbica da bicamada. As simulações ainda mostraram uma desestabilização do empacotamento lipídico da bicamada caracterizada pela diminuição do parâmetro de ordem calculado para as cadeias acílicas. Simulações de Dinâmica Molecular a pH Constante, que foram realizadas a partir das estruturas dos peptídeos adsorvidos obtidas por Dinâmica Molecular convencional, foram capazes de elucidar detalhes da eletrostática envolvida no processo de adsorção. Elas mostraram que a adsorção desses peptídeos na bicamada lipídica aumenta em aproximadamente duas unidades os valores de pKa calculados para os resíduos ionizáveis. Com isso, esses peptídeos apresentam carga mais positiva quando estão na presença da bicamada do que quando estão apenas em solução aquosa. Dessa forma, a magnitude da atração eletrostática dos mesmos ´ pela bicamada aniônica é aumentada, evidenciando a seletividade que tais peptídeos possuem pela bicamada mimética de bactérias.
Antimicrobial peptides (AMPs) are part of the innate immune system of many species and are compounds with potential application against the development of resistant bacterial strains promoted by conventional antibiotics. The AMPs are rich in cationic and hydrophobic residues and act directly on the lipidic phase of the cell membranes. The MP1 has a broad-spectrum bactericide activity in both Gram-negative and positive bacteria, not being hemolytic or cytotoxic. H-MP1 is a synthetic analog of MP1 with lysines replaced by histidines so that its net charge could be responsive to changes in solution pH. In the present work, we applied computational biophysics techniques in order to investigate the effect of the solution pH on the structural properties, in the adsorption and insertion of these peptides in lipid bilayers mimicking the cell membrane of Gram-negative bacteria. The results indicate that the adsorption of H-MP1 is sensitive to pH, increasing to an acidic environment, matching that of MP1, which is not influenced by solution pH. Molecular Dynamic simulations indicated that the adsorption process of both peptides started by the interaction of the N-terminus with the bilayer, followed by the complete adsorption of the peptide laying parallel to the bilayer plane, inducing an increase in the peptide’s helical content enhancing peptides contact with the bilayer hydrophobic phase. The simulations also presented a lipid packing perturbation of the bilayer characterized for a decrease of the acylic chains order parameter. Constant pH Molecular Dynamics simulations, that were performed utilizing the structures of the adsorbed peptides obtained on the conventional Molecular Dynamics simulations, were able to enlighten details of the electrostatics of the adsorption process. They demonstrated that these peptides’ adsorption into the lipid bilayer increases about two units the pKa values calculated for the titratable residues. Thereby, these peptides presented higher net charges when in presence of the bilayer than when they are only in aqueous solution. Thus, the electrostatic atraction magnitude of these peptides for the aninonic bilayer is increased, pointing out the seletivity that both peptides have for the bacteria mimetic bilayer.
Antimicrobial peptides (AMPs) are part of the innate immune system of many species and are compounds with potential application against the development of resistant bacterial strains promoted by conventional antibiotics. The AMPs are rich in cationic and hydrophobic residues and act directly on the lipidic phase of the cell membranes. The MP1 has a broad-spectrum bactericide activity in both Gram-negative and positive bacteria, not being hemolytic or cytotoxic. H-MP1 is a synthetic analog of MP1 with lysines replaced by histidines so that its net charge could be responsive to changes in solution pH. In the present work, we applied computational biophysics techniques in order to investigate the effect of the solution pH on the structural properties, in the adsorption and insertion of these peptides in lipid bilayers mimicking the cell membrane of Gram-negative bacteria. The results indicate that the adsorption of H-MP1 is sensitive to pH, increasing to an acidic environment, matching that of MP1, which is not influenced by solution pH. Molecular Dynamic simulations indicated that the adsorption process of both peptides started by the interaction of the N-terminus with the bilayer, followed by the complete adsorption of the peptide laying parallel to the bilayer plane, inducing an increase in the peptide’s helical content enhancing peptides contact with the bilayer hydrophobic phase. The simulations also presented a lipid packing perturbation of the bilayer characterized for a decrease of the acylic chains order parameter. Constant pH Molecular Dynamics simulations, that were performed utilizing the structures of the adsorbed peptides obtained on the conventional Molecular Dynamics simulations, were able to enlighten details of the electrostatics of the adsorption process. They demonstrated that these peptides’ adsorption into the lipid bilayer increases about two units the pKa values calculated for the titratable residues. Thereby, these peptides presented higher net charges when in presence of the bilayer than when they are only in aqueous solution. Thus, the electrostatic atraction magnitude of these peptides for the aninonic bilayer is increased, pointing out the seletivity that both peptides have for the bacteria mimetic bilayer.
Descrição
Palavras-chave
Peptídeos antimicrobianos, Peptídeos sensíveis ao pH, Simulações por dinâmica molecular, Análises conformacionais, Dinâmica molecular a pH constante, Antimicrobial peptides, Sensitive pH peptidesen, Molecular dynamics simulations, Conformational analysis, Constant pH molecular dynamics