Nanodiscs as high-resolution structural models for native like antimicrobial peptide-membrane interactions

Det er nå godt akseptert at økningen av antibiotikaresistens er en av de største globale krisene verden vil møte. Dersom vi ikke foretar gjennomgripende tiltak vil konsekvensene bli forferdelige, både på et menneskelig og et økonomisk plan. Flere mennesker vil dø av infeksjoner enn av kreft, og verden vil få redusert sin samlede økonomiske produksjon med 100 billioner dollar. Det er åpenbart at det å løse et problem av dette størrelsesorden og kompleksitet vil kreve en global innsats, og en av delløsningene vil være å sørge for at vi fortsatt vil ha tilgang til effektive antibiotika. Antimikrobielle peptider er en lovende molekylklassene for utvikling av fremtidige antibiotika, men det har hittil vist seg å være vanskelig å få til i praksis. En viktig årsak til dette er vår manglende evne til å forstå hvordan antimikrobielle peptider påvirker bakteriene på et atomært nivå. I dette prosjektet har vi tatt i bruk det aller nyeste og beste modellsystemet for bakteriemembraner, nanodisker, for å få et detaljert innblikk i hvordan peptidene dreper bakterier. I løpet av prosjektets seneste år har vi fått etablert produksjon av nanodisker, og startet det møysommelige arbeidet med å studere hvordan peptidene ødelegger membraner. Arbeidet med nanodiskene har nå gjort oss i stand til å lage en etablert teknikk som er publisert slik at andre forskningsgrupper kan benytte denne i sin forskning. I tillegg til nanodiskene har vi også utviklet NMR-baserte modeller som kvantitativt måler trans-membrantransport av peptider, og av peptidenes evne til å påvirke membrantransport av ioner og små molekyler. På dette området har prosjektet kommet langt, og oppfinnerne av teknikken er i ferd med å patentere og kommersialisere denne teknikken. I løpet av prosjektet har vi også etablert et samarbeid med en internasjonalt ledende forskningsgruppe ved Universitetet i Groningen, Nederland, som arbeider med teoretisk modellering og atomic force mikroskopi (AFM) av peptidene vi undersøker i nanoAMP For å sette denne kunnskapen inn i en videre kontekst har prosjektet blitt innlemmet i DigiBiotics konsortiet, og den nye kunnskapen gir oss nye muligheter til å designe nye peptider som kan utvikles til legemidler til glede for framtidige generasjoner.Dette arbeidet har ført til en felles publikasjon som er innsendt til et ledende tidsskrift. Gjennom DigiBiotics konsortiet har prosjektet karakterisert et marint naturprodukt som fasiliterer ionetransport over membranen og på denne måten er en naturlig mimic av antimikrobielle peptider. NanoAMP har vært en viktig bidragsyter i DigiBiotics konsortiet, og har bidratt med å etablere og verifisere nye metoder for å undersøke membraninteraksjoner. Disse bidragene er inkorporert i i forsknings-"pipeline" son har blitt etablert av DigiBiotics.

My assessment is that the impact of nanoAMP has been significant and further enlarged by the integration with DigiBiotics. Scientifically, the impact can be (partly) seen in the scientific publications originating from the project, here detailed in the next capter, but more importantly, nanoAMP has attracted interest from stakeholders outside the project. An industry-PhD has used the knowledge on optimal design of cyclic antimicrobial peptides to investigate the concept of creating anti-colonizing surfaces using surface linked cyclic hexapeptides to confirm proof-of-principle investigation on covalent attachment of antimicrobial peptides.

Antimicrobial peptides are also one of the very few truly novel antimicrobial molecules discovered the last 30 years, and may be an important tool to avoid the emerging antibiotic crisis. The peptides are antibiotic through a unique biophysical mode of action where they lyse (dissolve) the bacterial cell membrane. The key interaction in any of these mechanisms is the interaction between the peptide and the cell membrane, and several models of the mode of action has been proposed, and in all a key step involve embedding of the peptide in the lipid bilayer. The detailed structure of the peptide in the lipid bilayer of bacterial cell membrane has until now eluded us, due to insufficient experimental technology. Recently, Nanodiscs, a novel membrane bilayer experimental model, has been developed for the study of membrane bound proteins. The Nanodiscs are round, stable, uniformly nano-sized patches of lipid bilayers that can give rise to high resolution NMR experiements. In the present proposal we propose to create Nanodiscs with lipid compositions resembling several important cell membranes, from bacteria, cancer cells, normal cells and mitochondria. We will then design and synthesise specifically labelled probe peptides to verify our ability to obtain not only high resolution structures of the peptides, but also to both qualitatively and quantitatively assess the membrane perturbation caused by these peptides. We will also design libraries of antimicrobial peptides to derive quantitative structure activity relationship towards different cell membranes thereby for the first time enable us to rationally design antimicrobial peptides with preselected activity, selectivity and other properties important for the development of antimicrobial peptides to new antibiotic drugs. Finally we will study the intriguing application of antimicrobial peptides as immunogenic anti-cancer agents.