Contenido de insaturación de la membrana lipídica como modulador de la actividad de péptidos antimicrobianos

Abstract

La población bacteriana ha desarrollado la capacidad de modular sus componentes celulares, tales como la bicapa lipídica, sistemas de generación de energía, síntesis de proteínas, enzimas biodegradativas y absorción de nutrientes debido a los cambios de pH, temperatura, presión, disponibilidad de nutrientes o salinidad que se presentan en los diferentes ambientes del planeta. Estos cambios en la expresión génica de la bacteria le han permitido sobrevivir y evadir la detección del sistema inmune del huésped. La alteración composicional de la membrana, es decir, la modulación de ácidos grasos saturados e insaturados, también tiene efectos en la permeabilidad, susceptibilidad a sustancias bactericidas y a los antibióticos. En este trabajo se propone cómo los cambios de distribución en el orden de los ácidos grasos y los cambios en la elasticidad de la membrana lideran la inhibición de formación de poros mediada por los péptidos antimicrobianos (PAM’s). La acción de los péptidos antimicrobianos en la formación de poros se puede explicar en tres fases (Figura 1). La primera, es la interacción superficial entre el péptido catiónico y la membrana bacteriana aniónica. En esta fase los péptidos forman estructuras helicoidales y su interacción con la membrana se hace de tal forma que los aminoácidos con carga positiva quedan ubicados de forma paralela horizontal a los aminoácidos hidrofóbicos de la hélice (Huang H. , 2020). La segunda fase es la permeabilización de la membrana, en otras palabras, es la inserción de los péptidos antimicrobianos al interior de la membrana celular. Antes de la inserción se genera una concentración crítica de péptidos en la superficie de la membrana, la cual depende de la tensión lateral de la misma. Dicha tensión está ligada a las propiedades de la bicapa, y se propone que los cambios en la tensión lateral están influenciados por la distribución de los ácidos grasos que la componen. Este proceso de inserción es netamente mecánico debido a las interacciones electrostáticas entre los péptidos catiónicos y las membranas aniónicas con condiciones energéticas favorables (Jenssen, Hamill , & Hancock, 2006), generando áreas de inestabilidad en ella y así inducir la formación de poros. Sin embargo, se han planteado diferentes mecanismos de acción tales como promover la captación de lípidos o como una acción detergente sobre la membrana para promover la formación de poros. La tercera y última fase, se lleva a cabo la lisis celular ya que después de la formación de poros en la membrana, se genera un estrés osmótico donde se ve alterado el intercambio de moléculas del interior celular al exterior (Ogata, y otros, 1992) y por lo tanto hay una pérdida en el gradiente electroquímico de la bacteria. Específicamente, se quiere determinar cómo los cambios porcentuales de ácidos grasos monoinsaturados presentes en la membrana emulan una respuesta adaptativa a la resistencia bacteriana y disminuyen la actividad de los péptidos antimicrobianos. Primero, se va a evaluar la actividad de los péptidos antimicrobianos LL-37 y Atra-1 en vesículas grandes unilamelares (por sus siglas en inglés LUV’s) con composiciones lipídicas de DMPG (14:0/14:0), DPPG (16:0/16:0) y POPG (16:0/18:1), emulando diferentes niveles de insaturación presentes en las membranas bacterianas, sugiriendo cómo la presencia de insaturaciones en la bicapa lipídica inhibe la actividad peptídica. Mediante el análisis cinético de porcentaje de fuga de calceína, estimar la energía de activación para la formación de poros en mezclas de lípidos sintéticos saturados (DMPG y DPPG) con pequeñas cantidades porcentuales de lípido monoinsaturado (POPG). Y segundo, se sugiere que los lípidos insaturados disminuyen la actividad de los péptidos antimicrobianos debido a la flexibilidad que le otorgan a la membrana dificultando poder alcanzar la concentración crítica en la superficie para inducir la translocación del péptido al interior de la membrana. Mediante la polarización generalizada (GP) en medidas de Laurdan con lípidos en una fase líquida-cristalina, mostrar como los diferentes porcentajes de insaturaciones van incrementando el nivel de espaciamiento de las cabezas polares en comparación con membranas completamente saturadas, lo cual indicaría como la flexibilidad inducida en la membrana puede estar relacionada con los valores de GP y el espaciamiento de cabezas hidrofóbicas en los lípidos. (Texto tomado de la fuente)

The bacterial population has developed the ability to modulate its cellular components, such as the lipid bilayer, energy generation systems, protein synthesis, biodegradative enzymes and nutrient absorption due to changes in pH, temperature, pressure, availability of nutrients or salinity that occur in the different environments of the planet. These changes in the gene expression of the bacterium have allowed it to survive and evade detection by the host's immune system. The compositional alteration of the membrane, mean, the modulation of saturated and unsaturated fatty acids, also has effects on permeability, susceptibility to bactericidal substances and antibiotics. In this work, it is proposed how the changes in the distribution in the order of the fatty acids and the changes in the elasticity of the membrane lead the inhibition of pore formation mediated by antimicrobial peptides (AMP’s). The action of antimicrobial peptides on pore formation (Figure 2) can be explained in three phases. The first is the surface interaction between the cationic peptide and the anionic bacterial membrane. In this phase, the peptides form helical structures and their interaction with the membrane is done in such a way that the positively charged amino acids are located horizontally parallel to the hydrophobic amino acids of the helix (Huang H. , 2020). The second phase is the permeabilization of the membrane, in other words, it is the insertion of antimicrobial peptides into the cell membrane. Before insertion, a critical concentration of peptides is generated on the membrane surface, which depends on the lateral tension of the membrane. This tension is linked to the properties of the bilayer, and it is proposed that changes in lateral tension are influenced by the distribution of the fatty acids that compose it. This insertion process is purely mechanical due to the electrostatic interactions between the cationic peptides and the anionic membranes with favorable energetic conditions (Jenssen, Hamill , & Hancock, 2006), generating areas of instability in it and thus inducing the formation of pores. However, different mechanisms of action have been proposed, such as promoting lipid uptake or as a detergent action on the membrane to promote pore formation. The third and last phase, cell lysis is carried out since after the formation of pores in the membrane, an osmotic stress is generated where the exchange of molecules from the inside of the cell to the outside is altered (Ogata, y otros, 1992) and therefore there is a loss in the electrochemical gradient of the bacteria. Specifically, we want to determine how the percentage changes of monounsaturated fatty acids present in the membrane emulate an adaptive response to bacterial resistance and decrease the activity of antimicrobial peptides. First, the activity of the antimicrobial peptides LL-37 and Atra-1 in large unilamellar vesicles (LUV's) with lipid compositions of DMPG (14:0/14:0), DPPG (16:0/16:0) and POPG (16:0/18:1), emulating different levels of unsaturation present in bacterial membranes, suggesting how the presence of membrane unsaturation’s inhibits activity peptide. Using calcein leakage percentage kinetic analysis, estimate the activation energy for pore formation in mixtures of saturated synthetic lipids (DMPG and DPPG) with small percentage amounts of monounsaturated lipid (POPG). Second, it is suggested that unsaturated lipids decrease the activity of antimicrobial peptides due to the flexibility they give to the membrane, making it difficult to reach the critical concentration on the surface to induce the translocation of the peptide to the interior of the membrane. Through generalized polarization (GP) in Laurdan measurements with lipids in a liquid-crystalline phase, show how the different percentages of unsaturation’s increase the level of spacing of the polar heads compared to fully saturated membranes, which would indicate how flexibility induced in the membrane may be related to GP values and hydrophobic head spacing in lipids.