Estudo da interação entre péptidos e membranas celulares por dinâmica molecular e ensaios experimentais: o caso dos péptidos com atividade membranar

Abstract

A interação entre péptidos e membranas tem um papel fundamental num elevado número de processos, tais como nas funções das proteínas de membrana, na atividade antimicrobiana, nas infeções virais, bem como em processos que originam doenças graves como as neuro-degenerativas Alzheimer e Parkinson. Péptidos penetrantes de células (do Inglês “Cell-penetrating peptides” - CPPs) e péptidos antimicrobianos (do Inglês “Antimicrobial peptides” - AMPs) são geralmente definidos como pequenos péptidos catiónicos com a propriedade de interagirem com membranas lipídicas, num processo dirigido pelas suas propriedades eletrostáticas e de hidrofobicidade. A interação de CPPs com membranas leva à sua translocação através desta, enquanto que os AMPs as costumam danificar. Uma nova classificação engloba CPPs e AMPs num grande grupo denominado por péptidos com atividade membranar ( do Inglês “Membrane active peptides” - MAPs). Neste trabalho foram desenhados três péptidos, o GA10 (GAGAGAGAGAGAGAGAGAGA), o LK10 (LKLKLKLKLKLKLKLKLKLK) e o LE10 (LELE LELELELELELELELE), para o estudo das suas interações com membranas lipídicas, por simulações de dinâmica molecular (do Inglês “Molecular Dynamics” - MD) e ensaios laboratoriais, nomeadamente ensaios de caracterização físico-química e de fluorescência com lipossomas, ensaios de citotoxicidade e testes de atividade antimicrobiana. O objetivo de estudo é contribuir para uma melhor caracterização dos mecanismos responsáveis pela atuação de MAPs em membranas celulares. Os resultados de MD mostraram uma interação evidente do péptido LE10 com as membranas simuladas, que leva à dobra das membranas à volta deste péptido. Essa interação foi confirmada pelos estudos laboratoriais. O péptido LE10, carregado negativamente, apresenta características de CPP (translocação através de membranas) e de AMP (disrupção membranar) nos estudos realizados, apontando para que a carga positiva possa não ser uma propriedade fundamental, e para que a classificação de MAPs seja a mais adequada a estes tipos de péptidos. Tendo em conta as propriedades aqui demonstradas pelo péptido LE10, modificações na sua estrutura podem torná-lo num vector promissor na entrega dirigida de fármacos.

The interaction between peptides and membranes plays a fundamental role in many processes, such as in membrane proteins functions, in antimicrobial activity, in viral infections, and in process that leads to diseases like the neurodegenerative Alzheimer and Parkinson. Cell-penetrating peptides (CPPs) and antimicrobial peptides (AMPs) are generally defined as small cationic peptides that have the property of interacting with lipidic membranes, in a process driven by their electrostatic and hydrophobicity features. The interaction with CPPs is known to lead to its translocation across the membrane, while with AMPs by lead to membrane damage. One new classification includes the CPPs and AMPs in one big group denominated by membrane active peptides (MAPs). This work reports the design of three peptides, the GA10 (GAGAGAGAGAGAGAGAGAGA), the LK10 (LKLKLKLKLKLKLKLKLKLK) and the LE10 (LELELELELELELELELELE) for the study of their interactions with lipidic membranes, by molecular dynamics (MD) simulations and laboratory assays, namely assays of physicochemical characterization and of fluorescence of liposomes, cytotoxic assays and antimicrobial activity tests. The objective of this work is to contribute towards a better characterization of the mechanisms behind the MAPs actuation over cell membranes. The MD results showed one evident interaction of the LE10 peptide with the simulated membranes, which leads to the membrane bending around the peptide. This interaction was also confirmed by laboratory experiments. The LE10 peptide, negatively charged, shows features of CPP (translocation through membranes) and AMP (membrane disruption) in the performed studies, indicating that the positive charge may not be a fundamental property, with the classification of MAP being more suitable for this type of peptides. Based on the LE10 properties here demonstrated, modifications in its structure may make it a very promising tool as a drug delivery vector.