Mechanisms involved in effects of antimicrobial peptides, bactenectins ChBac3.4, ChBac5, and mini-ChBac7.5Nb, on bacterial cells
Authors: Шамова О.В. , Жаркова М.С. , Копейкин П.М. , Орлов Д.С. , Корнева Е.А. 
Published: December 2020

Антимикробные пептиды (АМП) системы врожденного иммунитета - соединения, играющие важную роль в патогенезе инфекционных заболеваний, так как обладают свойством инактивировать широкий спектр патогенных бактерий, обеспечивая противомикробную защиту живых организмов. В настоящее время АМП рассматриваются как потенциальные соединения-корректоры инфекционной патологии, вызываемой антибиотикорезистентными бактериями (АБР). Цель данной работы состояла в изученим механизмов антибактериального действия трех пептидов, принадлежащих к семейству бактенецинов - ChBac3.4, ChBac5 и mini-ChBac7.5Nb. Эти химически синтезированные пептиды являются аналогами природных пролин-богатых АМП, обнаруженных в лейкоцитах домашней козы Capra hircus и проявляющих высокую антимикробную активность, в том числе и в отношении грамотрицательных АБР. Методы. Минимальные ингибирующие и минимальные бактерицидные концентрации пептидов (МИК и МБК) определяли методом серийных разведений в жидкой питательной среде с последующим высевом на плотную питательную среду. Эффекты пептидов на проницаемость цитоплазматической мембраны бактерий для хромогенного маркера исследовали с использованием генетически модифицированного штамма Escherichia coli ML35p. Действие бактенецинов на метаболическую активность бактерий изучали с применением маркера резазурина. Результаты. Показано, что все исследованные пептиды проявляют высокую антимикробную активность в отношении Escherichia coli ML35p и антибиотикоустойчивых штаммов Escherichia coli ESBL и Acinetobacter baumannii in vitro, но их действие на бактериальные клетки разное. Использован комплекс методик, позволяющих наблюдать в режиме реального времени динамику действия бактенецинов в различных концентрациях (включая их МИК и МБК) на барьерную функцию цитоплазматической мембраны и на интенсивность метаболизма бактериальных клеток, что дало возможность выявить различия в характере воздействия бактенецинов, отличающихся по структуре молекулы, на исследуемые микроорганизмы. Установлено, что действие каждого из трех исследованных бактенецинов в бактерицидных концентрациях отличается по эффективности нарушения целостности бактериальных мембран и в скорости подавления метаболизма клеток. Заключение. Полученная информация дополнит существующие фундаментальные представления о механизмах действия пролин-богатых пептидов врожденного иммунитета, а также послужит основой для биотехнологических исследований, направленных на разработку на базе этих соединений новых антибиотических препаратов для коррекции инфекционных заболеваний, вызываемых АБР и являющимися причинами тяжелых внутрибольничных инфекций.

Antimicrobial peptides (AMPs) of the innate immunity are compounds that play an important role in pathogenesis of infectious diseases due to their ability to inactivate a broad array of pathogenic bacteria, thereby providing anti-microbial host defense. AMPs are currently considered promising compounds for treatment of infectious diseases caused by antibiotic-resistant bacteria. The aim of this study was to investigate molecular mechanisms of the antibacterial action of three peptides from the bactenecin family, ChBac3.4, ChBac5, and mini-ChBac7.5Nb. These chemically synthesized peptides are analogues of natural proline-rich AMPs previously discovered by the authors of the present study in leukocytes of the domestic goat, Capra hircus. These peptides exhibit a high antimicrobial activity, in particular, against antibiotic-resistant gram-negative bacteria. Methods. Minimum inhibitory and minimum bactericidal concentrations of the peptides (MIC and MBC) were determined using the broth microdilution assay followed by subculturing on agar plates. Effects of the AMPs on bacterial cytoplasmic membrane permeability for a chromogenic marker were explored using a genetically modified strain, Escherichia coli ML35p. The effect of bactenecins on bacterial metabolic activity was studied using a resazurin marker. Results. All the studied peptides showed a high in vitro antimicrobial activity against Escherichia coli ML35p and antibiotic-resistant strains, Escherichia coli ESBL and Acinetobacter baumannii, but differed in features of their action on bacterial cells. The used combination of techniques allowed the real-time monitoring of effects of bactenecin at different concentrations (including their MIC and MBC) on the cell membrane barrier function and metabolic activity of bacteria. The differences in effects of these three structurally different bactenecins on the studied microorganisms implied that these peptides at bactericidal concentrations differed in their capability for disintegrating bacterial cell membranes and rate of inhibiting bacterial metabolism. Conclusion. The obtained information will supplement the existing basic concepts on mechanisms involved in effects of proline-rich peptides of the innate immunity. This information will also stimulate biotechnological research aimed at development of new antibiotics for treatment of infectious diseases, such as severe in-hospital infections, caused by antibiotic-resistant strains.