Design and optimization of new antimicrobial peptides against gram-negative bacteria

Abstract

L’aparició de nous bacteris resistents cada any s’està convertint en un dels majors perills per a la salut pública, sent especialment preocupants les variants multiresistents. Els AMPs són un grup de molècules amb origen en tots dos regnes eucariota i procariota amb una extraordinària activitat no sols contra bacteris, sinó que diversos estudis han mostrat que són efectius contra virus, paràsits i cèl·lules tumorals també. Respecte a la seva activitat bacteriana, són uns dels tractaments més prometedors que podrien ser utilitzats amb bacteri resistents. La seva capacitat per a trencar la membrana els converteix en els perfectes substituts i/o coadjuvants per a ajudar als antibiòtics convencionals, l’activitat dels quals enfront d’aquesta mena de bacteris s’està veient cada vegada més compromesa. L’objectiu dels diferents estudis realitzats dins del marc d’aquesta tesi està dirigit a millorar la comprensió sobre el funcionament dels AMPs, descobrir nous candidats enfront de bacteris patògens i millorar les qualitats de molècules ja descobertes. Durant la tesi, es va desenvolupar tolerància enfront de diferents pèptids en E. coli. Els resultats obtinguts suggereixen que els bacteris es converteixen en tolerants després d’un cert nombre de cicles de tractament per augment de lag. A part d’això, s’ha observat que aquests mecanismes de tolerància poden afectar el tractament amb antibiòtics convencionals, i que el resultat dependria de la seva manera d’acció. Això podria resultar d’especial importància en el cas de l’ús de teràpies combinatòries. El perfil mutacional observat en els ceps tolerants afecta a diferents vies del desenvolupament del bacteri. S’han observat amb estudis previs que algunes de les vies afectades són compartides amb els esdeveniments de tolerància en antibiòtics. A més d’aquest estudi més conceptual, un altre projecte ha estat enfocat en el desenvolupament de nous AMPs. Es va sintetitzar una bateria de pèptids a partir de proteïnes amb afinitat a heparina (HBPs). El descobriment d’aquestes molècules està basat en un disseny racional per homologia estructural. Es deu a la similitud que existeix entre el disacàrid d’heparina i el nucli glucídico del lípid A present en la paret cel·lular dels bacteris gram-negatives. Per això, seqüències provinents d’aquestes HBPs amb activitat antimicrobiana mostrarien afinitat també pel lípid A i, per tant, ser específiques per a aquesta mena de bacteris. Els resultats obtinguts confirmen la hipòtesi generada, ja que els pèptids sintetitzats han mostrat afinitat tant per heparina com per LPS, a més d’observar un reordenament estructural en presència de totes dues molècules. També s’ha vist una major activitat enfront de bacteris gram-negatives que contra gram-positives. Finalment, es va modificar racionalment l’estructura del pèptid hECP30, obtingut prèviament de la RNasa 3 humana. Es van modificar residus propensos a l’atac per proteasas amb aminoàcids no naturals o sintètics per a intentar millorar la seva estabilitat, un dels majors punts febles dels AMPs. Els últims anàlegs sintetitzats en aquest estudi van ser capaços d’augmentar més de 40 vegades l’estabilitat del pèptid original. A més, es van observar activitats similars a les del hECP30 original i una reducció quant a la toxicitat referida en diferents cèl·lules humanes i glòbuls vermells. Totes les troballes realitzades dins del marc d’aquesta tesi proporcionen informació valuosa per a la recerca bàsica en antibiòtics i nous enfocaments per al desenvolupament de noves possibles molècules que podrien arribar a ser utilitzades en la clínica.

La aparición de nuevas bacterias resistentes cada año se está convirtiendo en uno de los mayores peligros para la salud pública, siendo especialmente preocupantes las variantes multirresistentes. Los AMPs son un grupo de moléculas con origen en ambos reinos eucariota y procariota con una extraordinaria actividad no solo contra bacterias, sino que diversos estudios han mostrado que son efectivos contra virus, parásitos y células tumorales también. Respecto a su actividad bacteriana, son unos de los tratamientos más prometedores que podrían ser utilizados con bacteria resistentes. Su capacidad para romper la membrana los convierte en los perfectos sustitutos y/o coadyuvantes para ayudar a los antibióticos convencionales, cuya actividad frente a este tipo de bacterias se está viendo cada vez más comprometida. El objetivo de los diferentes estudios realizados dentro del marco de esta tesis está dirigido a mejorar la comprensión sobre el funcionamiento de los AMPs, descubrir nuevos candidatos frente a bacterias patógenas y mejorar las cualidades de moléculas ya descubiertas. Durante la tesis, se desarrolló tolerancia frente a diferentes péptidos en E.coli. Los resultados obtenidos sugieren que las bacterias se convierten en tolerantes tras cierto número de ciclos de tratamiento por aumento de lag. A parte de esto, se ha observado que estos mecanismos de tolerancia pueden afectar al tratamiento con antibióticos convencionales, y que el resultado dependería de su modo de acción. Esto podría resultar de especial importancia en el caso del uso de terapias combinatorias. El perfil mutacional observado en las cepas tolerantes afecta a diferentes vías del desarrollo de la bacteria. Se han observado con estudios previos que algunas de las vías afectadas son compartidas con los eventos de tolerancia en antibióticos. Además de este estudio más conceptual, otro proyecto ha estado enfocado en el desarrollo de nuevos AMPs. Se sintetizó una batería de péptidos a partir de proteínas con afinidad a heparina (HBPs). El descubrimiento de estas moléculas está basado en un diseño racional por homología estructural. Se debe a la similitud que existe entre el disacárido de heparina y el núcleo glucídico del lípido A presente en la pared celular de las bacterias gram-negativas. Por ello, secuencias provenientes de estas HBPs con actividad antimicrobiana mostrarían afinidad también por el lípido A y, por tanto, ser específicas para este tipo de bacterias. Los resultados obtenidos confirman la hipótesis generada, ya que los péptidos sintetizados han mostrado afinidad tanto por heparina como por LPS, además de observar un reordenamiento estructural en presencia de ambas moléculas. También se ha visto una mayor actividad frente a bacterias gram-negativas que contra gram-positivas. Por último, se modificó racionalmente la estructura del péptido hECP30, obtenido previamente de la RNasa 3 humana. Se modificaron residuos propensos al ataque por proteasas con aminoácidos no naturales o sintéticos para intentar mejorar su estabilidad, uno de los mayores puntos débiles de los AMPs. Los últimos análogos sintetizados en este estudio fueron capaces de aumentar más de 40 veces la estabilidad del péptido original. Además, se observaron actividades similares a las del hECP30 original y una reducción en cuanto a la toxicidad referida en diferentes células humanas y glóbulos rojos. Todos los hallazgos realizados dentro del marco de esta tesis proporcionan información valiosa para la investigación básica en antibióticos y nuevos enfoques para el desarrollo de nuevas posibles moléculas que podrían llegar a ser utilizadas en la clínica.

The emergence of new microbial drug resistances has conferred increasing harm to human health every year, of which multi-drug resistance is exceptionally problematic. Antimicrobial peptides (AMPs) are a bundle of molecules originating from all eukaryotic and prokaryotic kingdoms that show extraordinary activities not only against bacteria, as many studies have demonstrated their efficacy against virus, parasites, and tumors as well. Regarding their antibacterial activity, they are one of the most promising molecules to help conventional antibiotics to overcome drug-resistant bacteria. Their capacity for bacterial membrane disruption makes them ideal treatments to take the lead against the conventional ones already available, with incipient activity exhaustion, or to be used as coadjuvants to conventional treatments. The purpose of the different studies performed for this thesis was to improve the understanding on the mode of action of AMPs, to discover new candidates against bacterial pathogens, and to improve the features of already discovered AMPs. During the study, the development of tolerance to several well-known peptides was evaluated. The results suggest that bacteria develop tolerance after several cycles of peptide application by lag. This tolerance appears to affect the use of conventional antibiotics depending on the mechanism of action, possibly affecting single and combinatorial therapies. The mutational landscape found in the evolved strains was varied, affecting different pathways. Some mechanisms were affected, as demonstrated in tolerance studies performed with conventional antibiotics. In addition to this conceptual study, there are the de novo discovery and improvement of AMPs. A battery of peptides from heparin-binding proteins were synthetized. This peptide discovery was performed from a structural rational design point of view. The disaccharide core of gram-negative lipid A resembled that of heparin. Hence, sequences from heparin-binding proteins with antimicrobial activity may bind to this bacterial compound. The results obtained matched well with the hypothesis, which states that peptides are highly active against gram-negative bacteria but not much against gram-positive strains. High affinities to heparin and LPS binding were obtained from the designed peptides. We also found structural refolding in the presence of these molecules. Finally, the hECP30 peptide with origin in human RNase 3 was rationally modified at usual protease points with non-natural and synthetic residues substitutions to improve its stability. The last modifications offered more than 40-fold increase in human serum stability. Moreover, we found a similar activity in most stable analogs and toxicity reduction. These findings provide interesting insights into the new ways of conducting basic research on AMP behavior and antibiotics. The projects focused on drug development in addition to introducing new promising antimicrobial agents, opening the scope to innovative approaches for the development of antimicrobial drugs.