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Titel: Interactions of the antimicrobial peptide NKCS with the cytoplasmic membrane of Escherichia coli
Sonstige Titel: Interaktionen des antimikrobiellen Peptids NKCS mit der Zellmembran von Escherichia coli
Sprache: Englisch
Autor*in: Rzeszutek, Agnieszka
Erscheinungsdatum: 2011
Tag der mündlichen Prüfung: 2011-04-29
Zusammenfassung: 
The antimicrobial peptides are considered as an alternative for the traditional drugs which have become insufficient in the fight with multidrug resistant pathogens. The main advantage of this class of antibiotics is that they interact directly with the lipids of the cytoplasmic membrane without the exploitation of any receptors.
The peptide NKCS is very active against both Gram-positive and Gram-negative bacteria and does not show toxicity toward human erythrocytes. The mechanism involved in the suppression of bacterial growth was studied using Escherichia coli as a model Gram-negative bacterium. The peptide was divided into two parts. The new derivatives, namely NKCS-[K17] and NKCS-[15-27] corresponded to the N-terminal part along with the kink region and the C-terminal fragment, respectively. These three peptides were applied for the biophysical studies. The interactions between the peptides and phosphatidylethanolamine (PE, the main phospholipid constituent of E. coli cytoplasmic membrane) were investigated with the Small Angle X-rays Scattering (SAXS) technique. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was employed to study the influence of peptides on the phase behavior of the binary lipid system POPE/POPG (7/3). Finally, the secondary structure and the orientation of peptides upon the association with POPE/POPG (7/3) membrane were determined with the Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. Based on the obtained results, the model of interactions between NKCS and the E. coli cytoplasmic membrane was built. The peptide displays a high affinity to the negatively charged phosphatidylglycerol (PG). Upon the membrane binding, NKCS induces the migration of PG lipids to the sites of association and the domains of POPG-NKCS and POPE with the remaining PG and peptide are formed. The interactions with the zwitterionic PE are possible. In this case the peptide induces the positive curvature within the membrane, stabilizing the bilayer structure and inhibiting the formation of non-lamellar inverse hexagonal phase. Since this phase is crucial for the cell division process, the inhibition of it prevents the bacterial cells division and growth. NKCS does not adopt a fully transmembrane orientation upon the membrane interactions. Only the N-terminus is embedded into the bilayer at the angle of 30°, whereas the C-terminal fragment stays on the membrane surface, where it can interact with the lipid head groups.

Antimikrobielle Peptide könnten eine Alternative zu herkömmlichen Antibiotika werden, deren Effektivität durch die Ausbildung multiresistenter Keime deutlich herabgesetzt wird. Der Vorteil der antimikrobiellen Peptide liegt im Wirkmechanismus: durch die rezeptor-unabhängige direkte Interaktion mit den Lipiden der Zellmembran ist eine Ausprägung von Resistenzen deutlich schwieriger, wenn nicht gar unmöglich.
Das Peptid NKCS zeigt eine hohe Aktivität sowohl gegen Gram-positive, als auch Gram-negative Bakterien. Darüber hinaus werden humane Erythrocyten nicht angegriffen. Escherichia coli wurde als Gram-negativer Modellorganismus genutzt, um den Mechanismus der antibakteriellen Aktivität zu untersuchen. Zwei verkürzte Derivate von NKCS wurden hergestellt: 1. NKCS-[K17], bestehend aus dem N-terminalen Teil und der Knick-Region und 2. NKCS-[15-27] als C-terminales Fragment. Diese drei Peptide wurden in biophysikalischen Experimenten untersucht. Die Interaktion der Peptide mit Phosphatidyl-Ethanolamin (PE) als Hauptbestandteil der Zellmembran von E. coli wurde mittels Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) analysiert. Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) wurde herangezogen, um den Einfluss der Peptide auf das Phasenverhalten im binären Lipidsystem POPE/POPG (7/3) zu untersuchen. Die Sekundärstruktur und die Orientierung der Peptide in Kontakt zur POPE/POPG (7/3) Membran wurde mit Hilfe der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) analysiert. Auf der Grundlage der experimentellen Daten wurde ein Modell entwickelt, das die Wechselwirkung zwischen NKCS und der Zellmembran von E. coli beschreibt. Das Peptid zeigt eine hohe Affinität zum negativ geladenen Phosphatidylglycerol (PG). Die Bindung von NKCS induziert eine Relokalisierung der PG-Lipide, was zu einer Domänenbildung führt. Die entstehenden Domänen bestehen aus 1. POPG-NKCS und 2. POPE mit ungebundenem POPG. Das Peptid kann auch mit dem zwitterionischen PE wechselwirken. Dabei wird eine positive Krümmung der Membran induziert, die die Lipiddoppelschicht stabilisiert und den Phasenübergang zur nicht lamellaren inversen hexagonalen Phase verhindert. Diese Phase ist essentiell für den Zellteilungsprozeß, daher können die Bakterien sich nicht mehr vermehren. NKCS ist kein Membran-durchspannendes Peptid. Der N-terminale Bereich dringt in einem Winkel von etwa 30° in die Lipiddoppelschicht ein, wohingegen der C-terminale Bereich auf der Membranoberfläche liegt. Dort ist eine Wechselwirkung mit den Kopfgruppen der Lipide möglich.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/4138
URN: urn:nbn:de:gbv:18-52652
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Hahn, Ulrich (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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