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Mar 12, 2024

Organizzazione della membrana laterale come bersaglio di un composto peptidomimetico antimicrobico

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4038 (2023) Cita questo articolo 2112 Accessi 48 Dettagli metriche altmetriche La resistenza antimicrobica è una delle principali preoccupazioni nell'assistenza medica. Qui

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La resistenza antimicrobica è una delle principali preoccupazioni nell’assistenza medica. Qui studiamo il meccanismo d'azione di un tripeptide cationico antimicrobico, AMC-109, combinando microscopia a forza atomica ad alta velocità, dinamica molecolare, test di fluorescenza e analisi lipidomica. Mostriamo che l'attività dell'AMC-109 sulle membrane caricate negativamente derivate dallo Staphylococcus aureus consiste di due passaggi cruciali. Innanzitutto, AMC-109 si autoassembla in aggregati stabili costituiti da un nucleo idrofobico e una superficie cationica, con specificità per membrane caricate negativamente. In secondo luogo, dopo l'incorporazione nella membrana, i singoli peptidi si inseriscono nel monostrato esterno, influenzando l'organizzazione laterale della membrana e dissolvendo i nanodomini della membrana, senza formare pori. Proponiamo che la dissoluzione del dominio di membrana innescata da AMC-109 possa influenzare funzioni cruciali come lo smistamento delle proteine ​​e la sintesi della parete cellulare. I nostri risultati indicano che la modalità d’azione dell’AMC-109 assomiglia a quella del disinfettante benzalconio cloruro (BAK), ma con una maggiore selettività per le membrane batteriche.

Sin dall’introduzione degli antibiotici, i batteri hanno sviluppato una resistenza contro questi composti. Ad esempio, le varianti resistenti alla meticillina del batterio Gram-positivo Staphylococcus aureus (MRSA) sono apparse già diversi decenni fa1. Questa scoperta ha stimolato la ricerca di nuovi tipi di antibiotici, tuttavia, questa ricerca ha avuto solo un successo limitato. Infatti, la resistenza antimicrobica è stata dichiarata dall’Organizzazione Mondiale della Sanità come una delle 10 principali minacce globali per l’assistenza medica, con S. aureus come uno dei principali agenti patogeni2. I peptidi antimicrobici naturali e i loro imitatori rappresentano impalcature promettenti per lo sviluppo di nuovi antibiotici. I peptidi antimicrobici sono parte integrante del nostro sistema immunitario e come tali hanno una potente attività antimicrobica contro un’ampia gamma di batteri3,4,5. Presentano tuttavia numerosi inconvenienti, quali elevati costi di produzione, citotossicità per i globuli rossi e sviluppo di resistenza batterica6,7. Un modo per superare la resistenza antimicrobica è stabilizzare i peptidi antimicrobici utilizzando amminoacidi non nativi o catene peptidiche modificate che generano imitazioni peptidiche non naturali — peptidomimetici — che sono stabili in vivo, non dannosi per le cellule umane e non soffrono di resistenza5 ,7,8,9,10. Qui ci concentriamo su un promettente peptidomimetico AMC-109 attivo sulla membrana (Fig. 1a) 11, un tripeptide artificiale cationico con C-terminale ricoperto che è relativamente semplice da sintetizzare, ha un'ampia attività antimicrobica e può essere elaborato su larga scala industria7. AMC-109 segue il modello farmacoforico minimo sviluppato nel laboratorio di Svendsen12 che stabilisce una semplice regola secondo cui sono necessari un minimo di quattro residui di amminoacidi per un'attività antibatterica significativa: due dei quali cationici, gli altri due idrofobici7,11,12. Nell'AMC-109 i due residui idrofobici sono sostituiti da un singolo residuo artificiale che comprende la maggior parte e l'idrofobicità di due singoli triptofani. La presenza di tre gruppi tert-butile nelle posizioni 2, 5 e 7 sull'anello indolico rende la catena laterale di questo amminoacido 2,5 volte più grande e più lipofila dell'indolo del triptofano. Una variante regolare del triptofano dell'AMC-109 non ha mostrato una buona attività antimicrobica13. Il residuo di triptofano modificato è quindi un elemento chiave dell'AMC-109, poiché consente al peptide di ottenere un'elevata attività con soli tre aminoacidi. La carica positiva in AMC-109 è fornita dai due residui di arginina.

una struttura chimica AMC-109. b Membrane lipidiche di S. aureus dopo trattamento con AMC-109. Le membrane vengono visualizzate non trattate (a sinistra) e trattate con successive aggiunte di 1 µg/ml AMC-109 (0, 1, 2, 3, 4 µg/ml). I cambiamenti nel colore dello sfondo derivano da una combinazione dell'assottigliamento della membrana e della copertura della mica da parte di AMC-109. Rappresentativo di 3 esperimenti indipendenti. c Area della superficie della mica coperta dalla membrana dopo successive aggiunte di 1 µg/ml AMC-109. Per ciascuna concentrazione è stata valutata la copertura di 10–12 aree in una dimensione dell'immagine 3×3 µm. Immagini 3×3 µm per la valutazione dell'area sono state raccolte in 3 esperimenti indipendenti (3–4 immagini per ciascuna concentrazione di AMC-109 per esperimento). Le barre di errore rappresentano l'errore standard della media. I singoli punti dati sono rappresentati in grigio. I dati di origine per il pannello c vengono forniti come file di dati di origine.