Computational studies of the interactions of biologically active peptides with membrane

Abstract

Biological membranes are complex and diverse systems, composed mostly of lipid and protein molecules. The molecules are packed heterogeneously and organized in a fluid mosaic, mutually affecting each other. Complex protein-lipids interactions have been investigated extensively with a wide range of biophysical and computational techniques. However, general principles of folding, energetics, stability and even structure of membrane proteins can be inferred from simpler peptide-membrane interactions. Increasing our understanding of peptide-membrane interactions is beneficial also for deciphering the mechanism of action of membrane-active peptides, such as antimicrobial and viral-fusion peptides. This thesis includes 5 papers that summarize studies of peptide-membrane systems using a Monte Carlo (MC) simulations model. The simulations successfully reproduced available experimental data; in several cases they assisted in interpretation of the empirical results and guided further experiments. The first four papers of the thesis deal with antimicrobial peptides (AMPs), namely melittin, novicidin and NKCS, derived from natural killer cells. AMPs are found in the immunity system of various species, defending mostly against bacteria. AMPs act directly on the bacterial membrane, engaging a range of mechanisms. In an era in which bacteria acquired resistance to classical antibiotics, AMPs represent a new avenue to explore in the search for antibiotics of different types. The last paper is focused on a mitochondrial protein and elucidates mechanisms of its incorporation into mitochondrial outer membrane (MOM).

Biologische Membranen sind komplex und vielfältig. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Lipid- und Proteinmolekülen, die sich gegenseitig beeinflussen. Die komplizierten Protein-Lipid Interaktionen wurden ausgiebig mit einer Vielzahl von biophysikalischen und rechnergestützten Techniken untersucht, ein umfassendes Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehung in Membranen ist jedoch bislang nicht erreicht worden. Allerdings können allgemeine Grundsätze der Faltung, der Energetik, der Stabilität und der Struktur von Membranproteinen aus einfacheren Peptid-Membran-Wechselwirkungen abgeleitet werden. Die Verbesserung unseres Verständnisses dieser Wechselwirkungen ist auch für die Entschlüsselung des Wirkmechanismus membranaktiver Peptide von Vorteil, die z. B. antimikrobielle Aktivität besitzen oder zur viralen Verschmelzung mit der Zielzelle benötigt werden. Die vorliegende Arbeit beinhaltet 5 Publikationen, die Studien der Peptid-Membran-Wechselwirkungen mit Hilfe der Monto Carlo Simulation zusammenfassen. Die Simulationen haben erfolgreich verfügbare experimentelle Daten reproduziert; in einigen Fällen haben sie die Interpretation der empirischen Daten unterstützt und weiterführende Experimente vorhergesagt. Die ersten 4 Publikationen befassen sich mit den antimikrobiellen Peptiden (AMPs). Die Publikationen I und IV beschreiben Studien zu Melittin, einem AMP, das aus dem Gift der Honigbiene extrahiert wurde. Publikation I erörtert die Konformation und Orientierung des Melittin innerhalb der Lipidmembran; in Veröffentlichung IV wurde die Verwendung eines neuartigen Spinlabels zur Strukturbestimmung an Melittin getestet. Die Simulationen dienten dabei zur Erklärung der experimentellen Befunde. In Publikation II wird die computergestützte Verbesserung der antimikrobiellen Aktivität von NKCS beschrieben. Die Studien aus Publikation III beschreiben den Wirkmechanismus des Novicidin, das eine vorteilhafte Kombination aus effektiver antimikrobieller und niedriger hämolytischer Aktivität besitzt. Die letzte Publikation konzentriert sich auf ein mitochondriales Protein und seinen Einbau in die Mitochondrienmembran.