Interactions of natural and synthetic self-assembling peptides with phospholipid monolayer

Abstract

Rationally designed self-assembling β-sheet forming peptides have been previously shown to undergo nucleated one-dimensional self-assembly above a critical concentration in solution, from monomeric random coil into a hierarchy of well-defined β-sheet nanotapes, ribbons and fibrils. The interest in the application of self-assembling peptides in medicine e.g. tissue engineering, and in biosensors dictates the need to correlate peptide molecular structure with membrane nanotoxicity. Here a series of parameters are examined that could affect the peptide interactions with phospholipid monolayers using electrochemical techniques on a model DOPC-Hg supported system. These parameters are namely peptide aggregation state, polarity, net charge, applied voltage and amphiphilicity. For this study a total of 16 systematically altered self-assembling tape-forming peptides have been employed. It is shown that in the absence of applied voltage, amphiphilic peptides, with aromatic amino acids, a zero net charge and in monomeric rather than aggregated state in solution, have the highest propensity to bind to DOPC monolayers and give rise to discrete conducting structures. Positively charged amphiphilic peptides interact more strongly with DOPC than negatively charged ones, whilst polar peptides show little interaction with DOPC. Applied negative voltage across the lipid layer drives the binding of amphiphilic and polar positively charged peptides to the lipid layer, however such peptides are less able to undergo self-assembly into pore-like structures in the lipid environment. Introduction of serine amino acid from the choice of the available polar amino acids in the peptide primary sequence facilitates significantly the peptide-DOPC interaction. This class of peptides are shown to be considerably less membrane-disruptive compared to antimicrobial peptides. This research provides not only a greater insight into the rational design of new peptide-based biomaterials but also a further understanding of the interactions of natural antimicrobial and amyloid-forming peptides with biological membranes

Τα ορθολογικά σχεδιασμένα αυτοσυναρμολογούμενα πεπτίδια που σχηματίζουν β-φύλλο έχουν προηγουμένως αποδειχθεί ότι υφίστανται πυρηνοκίνητη μονοδιάστατη αυτοσυναρμολόγηση πάνω από μια κρίσιμη συγκέντρωση σε διάλυμα, από μονομερή τυχαία σπείρα σε μια ιεραρχία καλά καθορισμένων νανοταινιών, κορδελών και ινιδίων β-φύλλου. Το ενδιαφέρον για την εφαρμογή των αυτοσυναρμολογούμενων πεπτιδίων στην ιατρική, π.χ. στη μηχανική των ιστών, και στους βιοαισθητήρες υπαγορεύει την ανάγκη συσχέτισης της μοριακής δομής των πεπτιδίων με τη νανοτοξικότητα των μεμβρανών. Εδώ εξετάζεται μια σειρά παραμέτρων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τις αλληλεπιδράσεις των πεπτιδίων με μονοστιβάδες φωσφολιπιδίων με τη χρήση ηλεκτροχημικών τεχνικών σε ένα πρότυπο σύστημα με φορέα DOPC-Hg. Οι παράμετροι αυτές είναι συγκεκριμένα η κατάσταση συσσωμάτωσης του πεπτιδίου, η πολικότητα, το καθαρό φορτίο, η εφαρμοζόμενη τάση και η αμφίφιλοτητα. Για την παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 16 συστηματικά τροποποιημένα πεπτίδια που σχηματίζουν ταινίες αυτοσυναρμολόγησης. Αποδεικνύεται ότι, απουσία εφαρμοζόμενης τάσης, τα αμφίφιλα πεπτίδια, με αρωματικά αμινοξέα, μηδενικό καθαρό φορτίο και σε μονομερή και όχι συσσωρευμένη κατάσταση στο διάλυμα, έχουν τη μεγαλύτερη τάση να δεσμεύονται σε μονοστρώματα DOPC και να δημιουργούν διακριτές αγώγιμες δομές. Τα θετικά φορτισμένα αμφίφιλα πεπτίδια αλληλεπιδρούν ισχυρότερα με την DOPC από ό,τι τα αρνητικά φορτισμένα, ενώ τα πολικά πεπτίδια παρουσιάζουν μικρή αλληλεπίδραση με την DOPC. Η εφαρμοζόμενη αρνητική τάση κατά μήκος του λιπιδικού στρώματος οδηγεί στη δέσμευση των αμφίφιλων και των πολικών θετικά φορτισμένων πεπτιδίων στο λιπιδικό στρώμα, ωστόσο τα πεπτίδια αυτά είναι λιγότερο ικανά να υποστούν αυτοσυγκρότηση σε δομές που μοιάζουν με πόρους στο λιπιδικό περιβάλλον. Η εισαγωγή αμινοξέος σερίνης από την επιλογή των διαθέσιμων πολικών αμινοξέων στην πρωταρχική αλληλουχία του πεπτιδίου διευκολύνει σημαντικά την αλληλεπίδραση πεπτιδίου-DOPC. Αυτή η κατηγορία πεπτιδίων αποδεικνύεται ότι είναι σημαντικά λιγότερο διαταραγμένη στη μεμβράνη σε σύγκριση με τα αντιμικροβιακά πεπτίδια. Η έρευνα αυτή παρέχει όχι μόνο μια καλύτερη εικόνα για τον ορθολογικό σχεδιασμό νέων βιοϋλικών με βάση πεπτίδια, αλλά και μια περαιτέρω κατανόηση των αλληλεπιδράσεων των φυσικών αντιμικροβιακών και αμυλοειδικών πεπτιδίων με τις βιολογικές μεμβράνες.