Structural Disruptions of the Outer Membranes of Gram-Negative Bacteria by Rationally Designed Amphiphilic Antimicrobial Peptides

抗菌肽 脂质双层 细菌外膜 双层 两亲性 细菌 生物物理学 脂肽 抗菌剂 材料科学 生物化学 化学 生物 微生物学 大肠杆菌 有机化学 遗传学 共聚物 基因 聚合物
作者
Haoning Gong,Xuzhi Hu,Mingrui Liao,Ke Fa,Daniela Ciumac,Luke A. Clifton,Marc‐Antoine Sani,Stephen M. King,Armando Maestro,Frances Separovic,Thomas Andrew Waigh,Hai Xu,Andrew J. McBain,Jian R. Lu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (14): 16062-16074 被引量:69
标识
DOI:10.1021/acsami.1c01643
摘要

Gram-negative bacteria are covered by both an inner cytoplasmic membrane (IM) and an outer membrane (OM). Antimicrobial peptides (AMPs) must first permeate through the OM and cell wall before attacking the IM to cause cytoplasmic leakage and kill the bacteria. The bacterial OM is an asymmetric bilayer with the outer leaflet primarily composed of lipopolysaccharides (LPSs) and the inner leaflet composed of phospholipids (PLs). Two cationic α-helical AMPs were designed to target Gram-negative bacteria, a full peptide G(IIKK)3I-NH2 (G3), and a hydrophobic lipopeptide C8-G(IIKK)2I-NH2 (C8G2, with C8 denoting the octanoyl chain). LPS dominates OM functions as the first line of defense against antibiotics, thereby reducing drug susceptibility. This work explores how the two AMPs interact with LPS through several carefully chosen OM models that facilitated measurements from solid-state nuclear magnetic resonance (ss-NMR), small-angle neutron scattering (SANS), and neutron reflectivity (NR). The results revealed that G3 molecules bound preferably to the LPS head region and functioned as bridge molecules to reassemble the dislocated lipids into bilayer stacks. In contrast, C8G2 lipopeptides could quickly penetrate into the central region of the OM to cause direct removal of some membrane lipids. Different structural disruptions implicated different antimicrobial efficacies from these AMPs. The demonstration of the structural features underlying different susceptibilities of the OM to AMPs offers a useful route for the future development of strain-specific AMPs against antimicrobial-resistant pathogens.
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