Antimikrobiális peptidek szerkezetének és hatásmechanizmusának vizsgálata szilárd fázisú mágneses magrezonanciával
Title in English
Investigation of the Structure and Mode of Action of Antimicrobial Peptides by Solid-State Nuclear Magnetic Resonance
Keywords in Hungarian
antimikrobiális peptidek, membrán, lipid kettősréteg, szilárd fázisú NMR, REDOR
Keywords in English
antimicrobial peptides, lipid bilayer, membrane pore, solid-state NMR, REDOR
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
80 %
Experimental pharmacology, drug discovery and design (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Starting date
2007-07-01
Closing date
2010-07-31
Funding (in million HUF)
4.414
FTE (full time equivalent)
1.11
state
closed project
Summary in Hungarian
Az antimikrobiális peptidek (AMP) rövid, 15-40 aminosavból álló peptidláncok, melyek a kórokozók sejtmembránjával kölcsönhatásba lépve, abban ioncsatornákat, pórusokat képezve fejtik ki baktériumölő hatásukat. Az AMP-membrán kölcsönhatást és a pórusképződés mechanizmusát tekintve továbbra is sok a tisztázatlan kérdés. Szilárd fázisú mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópia alkalmazásával lehetőség nyílik arra, hogy rosszul oldódó, rosszul kristályosítható molekuláris rendszereket (pl. membránpeptideket) a természetes előfordulásukat maximálisan megközelítő környezetben vizsgáljunk. Specifikus 13C, 15N izotópok jól megválasztott helyre történő beépítésével az aminosavszekvenciába, a magok között fellépő dipoláris csatolás meghatározására irányuló technikák alkalmazásával (pl. rotációs-echo dupla rezonancia, REDOR) intra- és intermolekuláris (peptid-peptid, peptid-lipid) távolságkényszerek nyerhetők. Kutatásom célja egy választott AMP konformációjának, helyzetének és aggregációs sajátságainak vizsgálata a lipid kettősrétegben. A gyógyszerkutatás számára nagy jelentőséggel bíró AMP-k pórusképző mechanizmusának vizsgálatán kívül célom a REDOR és más, a dipoláris csatolás meghatározásán alapuló szilárd fázisú NMR módszer magyarországi meghonosítása.
Summary
Antimicrobial peptides (AMP) are short, 15-40-residue peptide chains, whose mode of action is thought to be ion channel or pore formation in the bacterial cytoplasmic membrane. Regarding the AMP-membrane interaction and the mechanism of pore formation, a number of questions are still unanswered. The application of solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) allows the investigation of poorly soluble, poorly crystallizable molecular systems (e.g. membrane peptides) in environments that closely resemble their physical site of action. With the introduction of site-specific 13C, 15N stable isotope labels into the amino acid sequence and the application of dipolar recoupling techniques (e.g. rotational-echo double resonance, REDOR), intra- and intermolecular (peptide-peptide, peptide-lipid) distance restraints can be obtained. My research will be focused on the investigation of the conformation, location, and aggregation properties of a chosen AMP in lipid bilayers. Besides the investigation of the mechanism of pore formation of AMPs, my project has the emphasis on making REDOR and other dipolar recoupling methods commonly used solid-state NMR techniques in Hungary.
Final report
Results in Hungarian
Az antimikrobiális peptidek (AMP) rövid, 15-40 aminosavból álló peptidláncok, amelyek a kórokozók sejtmembránjában ioncsatornákat, pórusokat képezve fejtik ki baktériumölő hatásukat. Szilárdfázisú NMR spektroszkópiai vizsgálatok segítségével megállapítottuk, hogy a maximin 4 nevű 27 aminosavból álló (GIGGVLLSAGKAALKGLAKVLAEKYAN-NH2), baktériumsejtek iránt nagyfokú szelektivitást mutató peptid lipid kettősrétegekben alfa-hélix szerkezetet ölt. A peptid és a lipid fejcsoportok közötti távolságmeghatározásra irányuló, valamint a peptid lipid kettősrétegben való orientációjának meghatározását célzó vizsgálatok a molekula mély penetrációját jelzik a lipid alkil láncok közé mind negatív töltésű, mind zwitterionos membránban. A szilárd fázisú NMR mérésekkel párhuzamosan negatív töltésű SDS micellákban és metanolos közegben végzett oldatfázisú NMR mérések alapján a hélix az aminosavszekvencia közepén megtörik, és V alakra emlékeztető konformációt vesz fel. Bár az így előálló hélix-kanyar-hélix motívum a kétféle környezetben hasonló, markáns eltérések tapasztalhatók a kanyart stabilizáló kölcsönhatásokban, valamint a molekulafelszín töltéseloszlásában. Feltételezhetően ez utóbbi tényező az, ami meghatározó módon befolyásolja a peptidnek a negatív töltésű (prokarióta-típusú) illetve elektromosan semleges (eukarióta-típusú) membránokkal való kölcsönhatását, és ezáltal a peptid bakteriális szelektivitását.
Results in English
Antimicrobial peptides (AMP) are short, 15-40-residue peptide chains, whose mode of action is thought to be ion channel or pore formation in the bacterial cytoplasmic membrane. Using solid-state NMR methodologies, we have established that maximin 4, a 27-residue AMP (GIGGVLLSAGKAALKGLAKVLAEKYAN-NH2) of high bacterial selectivity, in lipid bilayers adopts an alpha-helical conformation. Peptide-lipid distance measurements and the determination of peptide orientation in lipid bilayers show a deep penetration of maximin 4 into both zwitterionic and negatively charged membranes. In combination with the solid-state NMR measurements, solution NMR study of maximin 4 in negatively charged SDS micelles and in the presence of methanol show a helix-break-helix conformation and a V-shaped structure. Even though the overall topology of the peptide is similar, the atomic details of the structure in SDS and in methanol are markedly different. Major differences are observed in terms of the forces stabilizing the kink region as well as the charge distribution of the structures. The latter should have a profound effect on the interaction of maximin 4 with negatively charged (prokaryotic) vs. electronically neutral (eukaryotic) membranes and likely have implications for the bacterial selectivity of the peptide.
Orsolya Toke, Lynette Cegelski: REDOR Applications in Biology: An Overview, Encyclopedia of Magnetic Resonance, eds-in-chief R. K. Harris and R. E. Wasylishen, John Wiley: Chichester., 2010
Events of the project
2012-01-03 13:29:48
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Szerkezeti Kémiai Intézet (MTA Természettudományi Kutatóközpont), Új kutatóhely: Szerves Kémiai Intézet (MTA Természettudományi Kutatóközpont).
