Interaction of disubstituted 1,2,3-triazole- and β-aminoacid-containing peptides with phospholipid bilayers  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124451
Type PD
Principal investigator Wacha, András
Title in Hungarian Diszubsztitutált 1,2,3-triazolt és β-aminosavakat tartalmazó peptidek kölcsönhatása foszfolipid kettősrétegekkel
Title in English Interaction of disubstituted 1,2,3-triazole- and β-aminoacid-containing peptides with phospholipid bilayers
Keywords in Hungarian nem természetes aminosavak, triazol, β-aminosav, lipid, kettősréteg, SAXS, MD, molekuladinamika, kisszögű röntgenszórás
Keywords in English non-natural amino acids, triazole, β-amino acid, lipid, bilayer, SAXS, MD, molecular dynamics, small-angle X-ray scattering
Discipline
Structural Determination Methods (Council of Physical Sciences)34 %
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)33 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)33 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Starting date 2017-09-01
Closing date 2020-12-31
Funding (in million HUF) 15.216
FTE (full time equivalent) 2.18
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Pályázatom legfőbb célja a nem természetes aminosavakat tartalmazó, membránaktív peptideknek foszfolipid kettősrétegekkel való kölcsönhatásának leírása, membránba beépülésük módjának és mechanizmusának mélyebb megértése. Ennek elérése érdekében szükség van e molekulákat korrektül kezelni képes molekuladinamikai paraméterek („force field”) kifejlesztésére, amely megfelelő súllyal kezeli az általuk kialakított másodlagos szerkezeteket, illetve alkalmas vizes és lipid környezetben történő szimulációjukra is. Kutatásom másik, az előbbivel egymást kölcsönösen kiegészítő ága bakteriális és emlős membránmodell-rendszerek a fent említett nem természetes peptidek hatására bekövetkező szerkezeti változásainak leírása, valamint a peptidek a kettősréteg mentén vagy azon belül való elhelyezkedésének és lehetőség szerint konformációjának minél pontosabb meghatározása.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az élővilág nagyon sok területén találunk antimikrobiális hatású peptideket. Hatásmechanizmusukra általánosan jellemző, hogy baktériumok ill. gombasejtek sejtmembránjaiba beépülnek, ezáltal vagy membránfehérjék működését blokkolják, vagy a membrán szerkezetét, fluiditását változtatják meg. Manapság előtérbe kerültek ezek nem természetes homológjai: β-aminosavakat, valamint egyéb mesterséges, aminosav-jellegű építőköveket (például diszubsztituált triazolt) tartalmazó peptidek. Ezek nagy előnye a természetes antimikrobiális peptidekkel szemben az enzimatikus degradációval szembeni ellenállóképességük, hangolhatóságuk / tervezhetőségük és másodlagos szerkezetek kialakítására való hajlamuk. Bár ezeket az anyagokat aktívan kutatják, a lipid kettősréteggel való kölcsönhatásuk pontos mechanizmusa, a beépülési folyamat fizikai-kémiai leírása mind a mai napig nem ismert teljes mértékben. Ebben a projektben lipid kettősrétegekbe ágyazott nem természetes peptidek vizsgálatát tervezem elvégezni kisszögű röntgenszórással, valamint molekuladinamikai szimulációkkal. Reményeim szerint az eredmények segítségével le lehet írni az adott vendégmolekula elhelyezkedésének módját, lokalizációját a kettősrétegben, valamint a beépülés energetikai viszonyait.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A nem természetes peptidek több szempontból is számot tartanak tudományos érdeklődésre. Az általam vizsgálni kívánt, β-aminosavakat és diszubsztituált 1,2,3-triazolt tartalmazó peptidek fontossága a felfedező kutatás szempontjából abban rejlik, hogy a rajtuk végzett szerkezeti/dinamikai vizsgálatok a velük homológ természetes aminosavak és peptidek szerkezetének és működésének jobb megértéséhez vezethetnek. Ezen felül különösen a β-peptidekre jellemző a másodlagos szerkezeti formák szélesebb köre, melyek új, a természetes peptideknél elő nem forduló struktúrákban nyilvánulnak meg. A nem természetes peptidek gyakorlati hasznosíthatósága is várható, ugyanis az enzimatikus degradációnak jobban ellenállnak az élő szervezetekben, így például a jelenleg is ismert antimikrobiális/antifungális hatású természetes és mesterséges peptidek (melittin, buforin, CM15) hatékonyabb helyettesítői lehetnek. Pályázatomban a fent említett rendszereket elsősorban a membránokkal való kölcsönhatásaik tekintetében tervezem vizsgálni. Az irodalomban jelenleg található tanulmányok ezeket az anyagokat vákuumban (szimuláció), vizes közegben (kísérlet és szimuláció), vagy pedig sejttenyészeteken vizsgálják. Lipid kettősrétegekkel való kölcsönhatási mechanizmusaiknak, valamint a kettősrétegbe való beépülésük módjának fizikai-kémiai leírására, mely pályázatom fő célja, a rendelkezésre álló irodalomban nem találtam kielégítő magyarázatot. A kutatás erősségei közé tartozik a kísérleti és szimulációs vizsgálatok együttes, egymást kölcsönösen kiegészítő alkalmazása. A fő kísérleti módszer a kisszögű röntgenszórás (SAXS), melyet házon belül, az általam épített, Magyarországon egyedüli SAXS berendezéssel tervezek végrehajtani.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A nem természetes peptidek olyan extrém kisméretű fehérjék, melyek a természetben elő nem forduló, ám biokompatibilis építőköveket is tartalmaznak. Ezek egyfelől jó modellrendszerek a természetes fehérjék szerkezetének és működésének vizsgálatára, másfelől a természetben is előforduló, antibakteriális és gombaölő hatású peptidek hatékonyabb, robusztusabb helyettesítői is lehetnek, mert a célszervezetek (kórokozó baktériumok, gombák) nem, vagy csak nehezen képesek őket lebontani, hatástalanítani. Mivel az antimikrobiális peptidek fő hatásmechanizmusa a sejtmembránokba való beépülésük, kulcsfontosságú kérdés ennek a folyamatnak minél pontosabb megértése és leírása. Kutatásomban ezeknek az alaptudomány szempontjából is érdekes anyagoknak a kettősrétegekben való kísérleti és elméleti (számítógépes szimuláció) vizsgálatát és leírását tűztem ki célul. Az eredmények reményeim szerint hatékonyabb antibiotikumok kifejlesztését támogathatják, másrészt a természetes fehérjék szerkezetének, működésének mélyebb megértéséhez segíthetnek hozzá.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of the present proposal is to describe the interactions between membrane-active peptides containing non-natural amino acids and phospholipid bilayers, in order to achieve a deeper understanding of their insertion into the cell membranes. The development of a new molecular dynamics force field is needed therefore, which is able to handle these peptide-like molecules correctly, with special emphasis on the secondary structure and the ability of simulation in aqueous solvent and lipid systems. The other branch of my research – mutually supporting each other with the previous one – is the characterization of the structural changes in bacterial and mammal membrane model systems introduced by the above mentioned non-natural peptides. I also aim to determine the exact localization of the peptide in the neighborhood (or inside) the bilayer, and possibly its conformation/secondary structure.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Antimicrobial peptides are found in many living organisms. Their “modus operandi” is that upon insertion into the membranes of bacterial or fungal cells they either block membrane proteins or cause changes in the structure or fluidity of the bilayer. Recently the non natural homologues of these, i.e. peptides built from or containing β-amino acids or similar building blocks (e.g. disubstituted triazole) are gaining the focus of research. Their advantages over natural antimicrobial peptides are their resistance against enzymatic degradation, the fact that they are easily designed and tailored, and their high propensity to form secondary structures. Although the field nowadays is actively researched, neither the exact mechanism of the interaction between these molecules and the lipid bilayers, nor the physico-chemistry of the insertion process is fully understood yet. In this project I plan to examine bilayer-embedded non-natural peptides with small-angle X-ray scattering experiments and molecular dynamics simulations. I expect that the results will enable to describe the method and energetics of the localization of the peptides inside the bilayer.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Non-natural peptides are deservedly in the focus of research for several reasons. The importance of peptides containing β-amino acids and disubstituted 1,2,3-triazole – which I intend to study – from the viewpoint of fundamental research lies in the fact that structural/dynamical investigations of these molecules lead to a better understanding of the structure and behavior of homologous natural amino acids and peptides. Furthermore, especially the β-peptides are characterized by a broader range of secondary structures, leading to new conformational features not found in natural peptides. The practical application of non-natural peptides is also imminent, because of their higher resistance against enzymatic degradation, which can make them more effective replacements of known natural and artificial antimicrobial/antifungal peptides (melittin, buforin, CM15). In my proposal I plan to examine the above described systems in the light of their interactions with membranes. The currently available literature studies these either in vacuum (simulation), aqueous medium (experiments and simulations) or cell cultures. I have found satisfactory physico-chemical description neither of the mechanism of their interactions with, nor of the methods of their embedding into phospholipid bilayers. I consider the mutually supporting application of experimental and simulation techniques one of the strengths of the proposed research. The main experimental method is small-angle X-ray scattering (SAXS), which I plan to execute using the in-house instrument I have built in the recent years, and which is unique in Hungary and its region.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Non-natural peptides are extremely small proteins, containing biocompatible building blocks which do not occur naturally in living organisms. They are good model systems for the study of the structure and operating mechanism of natural proteins, but they can also be applied as more effective and robust replacements of natural antibacterial and antifungal peptides, because the target cells (pathogenic bacteria and fungi) are unable to quickly decompose, thereby deactivate them. Because the principle of operation of antimicrobial peptides lies within their embedding into cell membranes, a more complete understanding of this process is desirable. In my research I aim to study and describe these materials in phospholipid bilayers with experimental and theoretical (computer simulation) methods. I expect that the results will support the development of more effective antibiotics and lead to a better understanding of the structure and function of natural proteins.




 

Final report

  
Results in Hungarian
1. Kifejlesztettem egy kiegészítést a CHARMM36m molekulamechanikai erőtérhez, mely a béta-peptidek feltekeredési dinamikáját megbízhatóan tudja követni. Az új paraméterkészletet irodalmi kísérleti adatokra támaszkodva validáltam, majd három különböző béta-peptid példáján bemutattam, hogy sokkal jobban teljesít, mint ugyanerre az erőtérre alapuló két korábbi próbálkozás. 2. Kifejlesztettem a PyMOL molekuláris grafikus rendszerhez egy beépülő modult (plug-in), melynek segítségével béta-peptidek molekulamodelljeit lehet fölépíteni tetszőleges másodlagos szerkezettel. A program alfa-peptidek estén is működik, valamint képes kezelni vegyes, alfa/béta peptideket is. 3. A kifejlesztett erőteremet használva, molekuladinamikai szimulációkkal megmagyaráztam egy, a kutatócsoportban tervezett béta-peptid kísérletileg megfigyelt önszerveződését. Miután vízben az egyedi peptid-szálak egy, az oldalláncok sztérikus hatásai által stabilizált cikkcakk konformációt vesznek fel, láncközi hidrogénhíd-kötések segítségével rétegekbe szerveződnek, melyeknek egyik oldala hidrofil, másik hidrofób karakterű. Két ilyen réteg egymás mellé rendeződve egy hidrofób magú szendvics-szerkezetet alkot, melyben kis próbamolekulák szállíthatóak (pirén, tioflavin-T (ThT) és 8-anilinonaftalén-1-szulfonsav (ANS)). Foszfolipid kettősrétegbe való beágyazódásukkor a szendvicszerkezet kifordul, szabadon engedve a becsomagolt molekulákat.
Results in English
1. Developed an extension for the CHARMM36m molecular mechanics force field for correctly describing the folding dynamics of beta-peptides. Validated the new parametrization against experimental data from the literature and demonstrated that its performance on three different beta-peptides with already known folding properties was better than two previous attempts with the same force field. 2. Developed a plug-in for the PyMOL molecular graphics system for constructing models of beta-peptides in the desired secondary structure. It also works for alpha-peptides and proteins, as well as mixed alpha/beta peptides. 3. Using the developed force field, I have explained the experimentally observed self-assembly properties of an in-house designed beta-peptide using molecular dynamics. After adopting a zig-zag conformation in water, stabilized by side-chain steric effects, the peptides assemble via inter-chain hydrogen bonding into sheets, one side of which is of hydrophilic, the other of hydrophobic character. Two of these sheets assemble into a sandwich-like structure with a hydrophobic interior, which was proven to be able to host small probe molecules. (pyrene, Thioflavin-T (ThT) and 8-anilinonaphtalene-1-sulfonic acid (ANS)) Upon embedding in phospholipid membranes, the sandwich structure turns inside-out, releasing the packed molecule(s).
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124451
Decision
Yes





 

List of publications

  
Wacha András, Beke-Somfai Tamás, Nagy Tibor: Improved Modeling of Peptidic Foldamers using a Quantum Chemical Parametrisation Based on Torsional Minimum Energy Path Matching, CHEMPLUSCHEM 84: pp. 927-941., 2019
András Wacha, Tamás Beke-Somfai: PmlBeta: A PyMOL extension for building β-amino acid insertions and β-peptide sequences, SoftwareX 13: 100654, 2021
Szigyártó Imola Csilla, Mihály Judith, Wacha András, Bogdan Dora, Juhasz Tunde, Kohut Gergely, Schlosser Gitta, Zsila Ferenc, Urlacher Vlada, Varga Zoltán, Fulop Ferenc, Bóta Attila, Mándity István, Beke-Somfai Tamás: Membrane Active Janus-Oligomers of β 3 -Peptides, CHEMICAL SCIENCE 11: (26) pp. 6868-6881., 2020
Al-Khafaji Mohammed A., Gaál Anikó, Wacha András, Bóta Attila, Varga Zoltán: Particle Size Distribution of Bimodal Silica Nanoparticles: A Comparison of Different Measurement Techniques, MATERIALS 13: (14) 3101, 2020
Szentirmai Veronika, Wacha Andras, Nemeth Csaba, Kitka Diana, Racz Anita, Heberger Karoly, Mihaly Judith, Varga Zoltan: Reagent-free total protein quantification of intact extracellular vesicles by attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY 412: pp. 4619-4628., 2020
Bóta Attila, Wacha András, Varga Zoltán, Szigyártó Imola Csilla, Kristyán Sándor, Lőrincz András, Szabó Pál, Kálmán Miklós, Naszályi-Nagy Livia, Mihály Judith: Role of oligo(malic acid) on the formation of unilamellar vesicles, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 532: pp. 782-789., 2018
F. Dudás E., Wacha A., Bóta A., Bodor A.: Peptide-bicelle interaction: Following variations in size and morphology by a combined NMR-SAXS approach, BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOMEMBRANES 1862: (2) 183095, 2020
Farkas Ádám Z., Farkas Veronika J., Szabó László, Wacha András, Bóta Attila, Csehi Lóránt, Kolev Krasimir, Thelwell Craig: Structure, Mechanical, and Lytic Stability of Fibrin and Plasma Coagulum Generated by Staphylocoagulase From Staphylococcus aureus, FRONTIERS IN IMMUNOLOGY 10: 2967, 2019
Bocz Katalin, Decsov Kata Enikő, Farkas Attila, Vadas Dániel, Bárány Tamás, Wacha András, Bóta Attila, Marosi György: Non-destructive characterisation of all-polypropylene composites using small angle X-ray scattering and polarized Raman spectroscopy, COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING 114: pp. 250-257., 2018
Bocz Katalin, Decsov Kata Enikő, Farkas Attila, Vadas Dániel, Bárány Tamás, Wacha András, Bóta Attila, Marosi György: Non-destructive characterisation of all-polypropylene composites using small angle X-ray scattering and polarized Raman spectroscopy, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2018
Wacha András, Beke-Somfai Tamás, Nagy Tibor: Improved Modeling of Peptidic Foldamers using a Quantum Chemical Parametrisation Based on Torsional Minimum Energy Path Matching, CHEMPLUSCHEM 84: pp. 927-941., 2019
Bali K., Varga Z., Kardos A., Varga I., Gilányi T., Domján A., Wacha A., Bóta A., Mihály J., Mészáros R.: Effect of dilution on the nonequilibrium polyelectrolyte/surfactant association, LANGMUIR 34: (48) pp. 14652-14660., 2018
Bóta Attila, Wacha András, Varga Zoltán, Szigyártó Imola Csilla, Kristyán Sándor, Lőrincz András, Szabó Pál, Kálmán Miklós, Naszályi-Nagy Livia, Mihály Judith: Role of oligo(malic acid) on the formation of unilamellar vesicles, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 532: pp. 782-789., 2018
Li HL, Wang KH, Tuo XG, Almásy L, Tian Q, Sun GG, Henderson MJ, Li QT, Wacha A, Courtois J, Yan MH: Thickness determination of ultrathin Poly(acrylic acid) shell on γ-Fe2O3 nanocore via small-angle scattering, MATERIALS CHEMISTRY AND PHYSICS 204: pp. 236-242., 2018
Tábi T., Wacha A. F., Hajba S.: Effect of D‐lactide content of annealed poly(lactic acid) on its thermal, mechanical, heat deflection temperature, and creep properties, JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE 136: (8) p. 47103., 2018
Tian Q, Yan G, Bai L, Li X, Zou L, Rosta L, Wacha A, Li Q, Krakovský I, Yan M, Almásy L: Phase mixing and separation in polyester polyurethane studied by small-angle scattering: A polydisperse hard sphere model analysis, POLYMER 147: pp. 1-7., 2018
Tian Q., Yan G., Bai L., Chen J., Liu D., Chen L., Sun L., Huang C., Chen B., Nagy G., Wacha A., Almásy L.: Calibration of the Suanni small-angle neutron scattering instrument at the China Mianyang Research Reactor, JOURNAL OF APPLIED CRYSTALLOGRAPHY 51: (6) pp. 1662-1670., 2018
Al-Khafaji Mohammed A., Gaál Anikó, Wacha András, Bóta Attila, Varga Zoltán: Particle Size Distribution of Bimodal Silica Nanoparticles: A Comparison of Different Measurement Techniques, MATERIALS 13: (14) 3101, 2020
Deák Róbert, Mihály Judith, Szigyártó Imola Cs., Beke-Somfai Tamás, Turiák Lilla, Drahos László, Wacha András, Bóta Attila, Varga Zoltán: Nanoerythrosomes tailoring: Lipid induced protein scaffolding in ghost membrane derived vesicles, MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING C-MATERIALS FOR BIOLOGICAL APPLICATIONS 109: p. 110428., 2020
F. Dudás E., Wacha A., Bóta A., Bodor A.: Peptide-bicelle interaction: Following variations in size and morphology by a combined NMR-SAXS approach, BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOMEMBRANES 1862: (2) 183095, 2020
Szentirmai Veronika, Wacha Andras, Nemeth Csaba, Kitka Diana, Racz Anita, Heberger Karoly, Mihaly Judith, Varga Zoltan: Reagent-free total protein quantification of intact extracellular vesicles by attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY 412: pp. 4619-4628., 2020
Szigyarto Imola Cs, Mihaly Judith, Wacha Andras, Bogdan Dora, Juhasz Tunde, Kohut Gergely, Schlosser Gitta, Zsila Ferenc, Urlacher Vlada, Varga Zoltan, Fulop Ferenc, Bota Attila, Mandity Istvan, Beke-Somfai Tamas: Membrane active Janus-oligomers of beta(3)-peptides, CHEMICAL SCIENCE 11: (26) pp. 6868-6881., 2020
Varga Zoltán, Fehér Bence, Kitka Diána, Wacha András, Bóta Attila, Berényi Szilvia, Pipich Vitaliy, Fraikin Jean-Luc: Size Measurement of Extracellular Vesicles and Synthetic Liposomes: The Impact of the Hydration Shell and the Protein Corona, COLLOIDS AND SURFACES B: BIOINTERFACES 192: 111053, 2020
Varju I, Sorvillo N, Cherpokova D, Farkas V, Farkas A, Komorowicz E, Feller T, Kiss B, Kellermayer M, Szabo L, Wacha A, Bota A, Longstaff C, Wagner D, Kolev K: Fibrinogen Is Citrullinated in Venous Thrombi and Forms Fragile Clots with Increased Resistance to Lysis, Research and Practice in Thrombosis and Haemostasis 4: (S1) pp. 5-6., 2020
Almasy L, Putz AM, Tian Q, Kopitsa GP, Khamova TV, Barabas R, Rigo M, Bota A, Wacha A, Mirica M, Taranu B, Savii C: Hybrid mesoporous silica with controlled drug release, JOURNAL OF THE SERBIAN CHEMICAL SOCIETY 84: (9) pp. 1027-1039., 2019
Barta G, Kitka D, Wacha A, Mihály J, Bóta A, Németh K, Szabó P, Fraikin J-L, Varga Z: Ev-avogadro project: towards a liposomal concentration standard for extracellular vesicle research, JOURNAL OF EXTRACELLULAR VESICLES 8: (Suppl. 1. ISEV2019 Abstract Book) pp. 25-26., 2019
Farkas Ádám Z., Farkas Veronika J., Szabó László, Wacha András, Bóta Attila, Csehi Lóránt, Kolev Krasimir, Thelwell Craig: Structure, Mechanical, and Lytic Stability of Fibrin and Plasma Coagulum Generated by Staphylocoagulase From Staphylococcus aureus, FRONTIERS IN IMMUNOLOGY 10: 2967, 2019
Yesiltas B., Torkkeli M., Almásy L., Dudás Z., Wacha A.F., Dalgliesh R., García-Moreno P.J., Sørensen A.-D.M., Jacobsen C., Knaapila M.: Interfacial structure of 70% fish oil-in-water emulsions stabilized with combinations of sodium caseinate and phosphatidylcholine, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 554: pp. 183-190., 2019



Back »