Design, synthesis and study of the biological and biophysical activity of antimicrobial peptides

Abstract

The global emergence and spread of multidrug-resistant bacteria is an important public health issue. However, the antimicrobial pipeline remains unacceptably lean, in fact over the last 25 years, the number of antimicrobial agents that reach the market has sharply decreased. In this context, there is now a renewed interest in the search for drugs that have more than one target on the bacterial cell, rather than a specific chiral receptor or enzyme. Antimicrobial peptides (AMPs) are a class of antibiotics that have attracted great interest in the last few years because they rarely spur the development of resistant organisms as their mechanism of action involves disruption of the bacterial membrane.

In this thesis we report the design, preparation and activity of new compounds based on the sequence of the polymyxins, a class of antibiotics highly active against Gramnegative bacteria, and used clinically as last resort treatment for multidrug-resistant pathogens. The compounds synthesized proved to be highly active against both Grampositive and Gram-negative bacteria, including several strains of resistant bacteria. Furthermore, biophysical experiments using liposomes and monolayers as model membranes and flow cytometry and transmission electron microscopy using bacteria were carried out to study the mechanism of action of these compounds. The results of the most active candidate indicate that an alternative, non-membrane dependent mechanism of action might be involved.

In the second part of the thesis, a series of 9 peptides were designed and synthesized from repeated KIAGKIA motifs, based in the sequence of the antimicrobial peptide PGLa from the magainin family, with lengths between 14 and 28 amino acids. Circular dichroism spectroscopy showed that they all formed alpha-helices when found in a lipid environment. Biological assays for haemolysis and antimicrobial activity, as well as fluorescence vesicle leakage and solid-state NMR spectroscopy, were used to correlate peptide length with membrane activity. These data are fully consistent with the formation of transmembrane pores. Only peptides that are long enough to span the hydrophobic bilayer core can induce vesicle leakage, haemolysis, and inhibit bacterial growth. The shorter peptides do not show these effects. Solid-state NMR analysis in oriented bilayers with different thickness also demonstrated the need for a minimum peptide length to flip from a surface-bound alignment into a more inserted, possibly even transmembrane state. With increasing length the peptides start to tilt and perturb the bilayer. Since the threshold behaviour seen for biological activity closely matches the biophysical results, the peptides could be used as molecular rulers to determine the thickness of bacterial membranes, showing that E. coli (≈ 27 Å) < S. aureus and P. aeruginosa (≈ 30 Å) < E. faecalis (≈ 34 Å).

L'aparició i propagació mundial de bacteris resistents a múltiples fàrmacs s’ha convertit en un problema clínic molt important. No obstant això, el nombre de nous antimicrobians que es troben en les últimes etapes de desenvolupament és molt baix. Els pèptids antimicrobians són una classe d’antibiòtics que han despertat gran interès en els últims anys pel fet que poques vegades estimulen el desenvolupament d’organismes genèticament resistents ja que la seva diana terapèutica és principalment la membrana bacteriana.

En aquesta tesi es descriu el disseny, preparació i activitat de nous compostos basats en la seqüència de les polimixines, un tipus de pèptids antimicrobians altament potents contra bacteris Gram-negatius i usats clínicament. Els compostos sintetitzats van presentar elevada activitat tant en bacteris Gram positius com Gram-negatius, incloent diverses soques resistents. Addicionalment, experiments biofísics usant liposomes i monocapes com a models de membrana i citometria de flux i microscòpia electrònica de transmissió usant bacteris es van usar per estudiar el mecanisme d’acció d’aquests compostos. Els resultats del candidat més actiu semblen indicar que presenta un mecanisme d’acció alternatiu on la membrana bacteriana no és l’única diana terapèutica.

En la segona part de la tesi, es descriu el disseny i síntesi d’una sèrie de 9 pèptids, basats en la seqüència del pèptid antimicrobià PGLa de la família de les magainines. Els pèptids alfa-helicoïdals (vist mitjançant l’ús de dicroïsme circular), presenten repeticions del heptàmer KIAGKIA, amb llargades de 14 a 28 aminoàcids. Assaigs biològics, de fluorescència i de RMN de fases condensades es van usar per relacionar la llargada peptídica amb la activitat en la membrana. Les dades obtingudes són consistents amb la formació de porus transmembrana, només aquells pèptids prou llargs per travessar la bicapa lipídica indueixen permeabilització, hemòlisi i inhibeixen el creixement bacterià mentre que els pèptids curts no mostren aquests efectes. L’anàlisi usant RMN de fases condensades amb lípids de diferent llargada també va mostrar la necessitat d’una llargada mínima dels pèptids per passar d’un estat superficial a un estat més inserit, probablement transmembrana. Atès que els llindars observats per a l'activitat biològica coincideixen estretament amb els resultats biofísics, els pèptids van ser utilitzats com a regles moleculars per determinar el gruix de les membranes bacterianes, és a dir E. coli (≈ 27 Å) < S. aureus i P. aeruginosa (≈ 30 Å) < E. faecalis (≈ 34 Å).