Interaction of antimicrobial peptides with lipid membranes

Abstract

Antimicrobial peptides are used by organisms to kill invading bacteria by interacting with the bacterial membrane. At the same time, the membrane of the host organism remains intact. The exact mechanism of action is not known. Here, we studied the structure of lipid membranes mixed with antibacterial peptides by X-ray diffraction at beamline A2 in Hasylab, Hamburg. We used two lipids differing in the headgroup; DOPC is a typical mammalian cell membrane lipid, while DOPE is abundant in bacterial membranes. We used two model antibacterial peptides, mellitin and alamethicin. Both peptides act in similar ways on each lipid. With DOPC, the membrane structure remains lamellar in the studied temperature range. With DOPE, new phases form at the onset of the hexagonal phase. We observed two cubic phases, Im3m and Pn3m. All observed phases were related by epitaxial relationships which suggests their coexistence within one multilamellar vesicle, the so-called onion vesicle.

Antibakterielle Peptide sind ein Baustein des Immunsystems. Diese Peptide können Bakterien abtöten, ohne dabei die Zellen des Organismus zu beschädigen. Der genaue Mechanismus der Wechselwirkung mit der Zellmembran ist nicht bekannt. Wir haben die Struktur von zwei Lipidarten, DOPC und DOPE, mit zwei Peptiden, Melittin und Alamethicin, mit Hilfe der Kleinwinkelstreuung untersucht. Die Messungen wurden an der Beamline A2 in Hasylab, Hamburg durchgeführt. DOPC kommt vor allem in Säugetierzellmembranen vor, DOPE in bakteriellen Membranen. Beide Peptide haben die Struktur von DOPC lamellaren Membranen nicht wesentlich verändert, während sich in DOPE Membranen zwei neue Strukturen mit kubischer Symmetrie gebildet haben, Im3m und Pn3m. Zwischen den koexistierenden Lipidphasen in DOPE treten mehrere Epitaxien auf. Der Grund hierfür ist der Einschluß aller Phasen in demselben Liposom, dem sogenannten Zwiebelliposom (onion vesicle). Dieses enthält mehrere Schichten aus unterschiedlichen Phasen.