Universität zu Köln

Antimicrobial peptides as new potential antibiotics

Reinhardt, André (2017) Antimicrobial peptides as new potential antibiotics. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In recent years, the rapid increase of antibiotic resistances and the expansion of multi-resistant bacterial strains have provoked the need to develop novel antibiotics. So-called antimicrobial peptides (AMPs) are short, amphiphilic, cationic peptides and part of the innate immune system. There unique membrane disrupting mechanism and the low propensity for developing resistances attracted their attention in pharmaceutical medicine. AMPs are active against a wide spectrum of microorganisms, such as gram-positive and gram-negative bacteria, fungi, viruses and parasites. The present thesis focuses on improving the antimicrobial activity of AMPs by using different strategies like synthesis of AMP-conjugates, membrane immobilization of AMPs, and amino acid exchanges within the AMP sequence. For this, multiple imidazolium-salts, already described as antibacterial agents, were conjugated to AMPs via solid phase peptide synthesis, developing a branched conjugate. Combination of both compounds resulted in a higher antimicrobial activity against multi-resistant bacterial strains. Selectivity of the novel compounds was demonstrated against human-red blood cells, which was further investigated by lipid interaction studies with cholesterol. The most selective compound IL-KKA (3a) could be used as a future lead structure for the development of new antimicrobial agents. Since 80% of human infections are caused by biofilms, the newly designed compound IL-KKA (3a) was coupled covalently via a peptide bond or with electron beam radiation on polyether sulfone membranes (PES). Both immobilization techniques were successfully performed, still showing a high antimicrobial activity of the immobilized compound. The cell-penetrating peptide sC18 was converted to an AMP by amino acid exchanges with isoleucine and phenylalanine. Isoleucine and phenylalanine mono mutants already exhibited an increased activity against a wide spectrum of bacteria. A higher amount of phenylalanine in the sequence leads to a further increased antimicrobial activity. The insertion of hydrophobic amino acids at position 10 led to the formation of a characteristic α-helix, while the positions 15 and 16 seemed to be necessary for hydrophobic membrane interactions. All in all, this thesis highlights the successful modification of AMPs to more active antimicrobial agents, which make them extremely interesting for the design of future antibiotics and the application of potential anti-biofilm agents.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die Vermehrung von Antibiotikaresistenzen und somit multi-resistenten Bakterien macht die Entwicklung von alternativen Antibiotika, in Form von antimikrobiellen Peptiden (AMPs), nötig. AMPs sind kurze, amphipathische, kationische Peptide und Teil des angeborenen Immunsystems. Ihr einzigartiger Wirkmechanismus und das seltene Aufkommen von Resistenzen, machen AMPs interessant für die Pharmazie. AMPs sind aktiv gegen unterschiedlichste Mikroorganismen u.a. gram-positive und gram-negative Bakterien sowie Pilze, Viren und Parasiten. In dieser Arbeit soll die antimikrobielle Aktivität von AMPs durch Herstellung von AMP-Konjugaten, Membranimmobilisierung von AMPs und den Austausch von Aminosäuren innerhalb der AMP Sequenz weiter erhöht werden. Unterschiedlich modifizierte Imidazoliumsalze, die bereits für ihre antimikrobielle Aktivität bekannt sind, wurden mit Hilfe der Festphasenpeptidsynthese an AMPs gekuppelt. Die Kombination der beiden Komponenten zeigte eine höhere Aktivität gegen multiresistente Bakterien. Eine der neuen Verbindungen, IL-KKA (3a), zeigte die höchste Selektivität und kann als Leitstruktur für die Entwicklung von neuen Antibiotika verwendet werden. 80% der heutigen Infektionen werden durch Biofilme verursacht. Deshalb wurde das neu designte IL-KKA (3a) mit unterschiedlichen Linkern an Polyethersulfon-Membranen immobilisiert. Dies wurde entweder durch eine kovalente Peptidbindung oder mit Hilfe von Elektronenbestrahlung bewerkstelligt. Beide Techniken waren erfolgreich und die so aktivierten Membranen zeigten weiterhin eine antimikrobielle Aktivität. Das zellpenetrierende Peptid sC18 wurde durch den Austausch der Aminosäuren an Position 10, 15 und 16 durch Isoleucin oder Phenylalanin in ein AMP umgewandelt. Die Einzelmutanten zeigten bereits eine erhöhte Aktivität gegenüber unterschiedlichsten Bakterienstämmen. Durch das Einfügen von bis zu 3 Phenylalaninen konnte die antimikrobielle Aktivität weiter erhöht werden. Hierbei sorgte der Austausch an Position 10 für eine besser ausgebildete α-Helix, während der Austausch an den Positionen 15 und 16 die hydrophoben Membraninteraktionen verstärkten. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die Modifikation von antimikrobiellen Peptiden zu einer erhöhten Aktivität führen kann. Die in dieser Arbeit neu entwickelten AMPs haben das Potential, als neue Antibiotika oder als Anti-Biofilm Wirkstoffe eingesetzt zu werden.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Reinhardt, Andréandre.reinhardt1@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-76727
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Chemistry and allied sciences
    Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Antibiotics, Antimicrobial, AMP, PeptidesEnglish
    Antibiotika, antimikrobiell, AMP, PeptideGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Biochemie I
    Language: English
    Date: 03 April 2017
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 02 June 2017
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 21 Jul 2017 12:38:14
    Referee
    NameAcademic Title
    Neundorf, InesProf. Dr.
    Schnetz, KarinProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7672

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