[논문 리뷰] Physicochemical Features and Peculiarities of Interaction of Antimicrobial Peptides with the Membrane

Malak Pirtskhalava, Boris Vishnepolsky외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 08.

Antimicrobial Peptides and Activities참고 문헌 150인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 미생물 세포막과의 상호작용를 규명하는 물리화학 원리를 종합적으로 다루며, 기여도, 양친수성, 잔기 분포가 메커니즘과 활성도의 핵심 결정 요소임을 강조한다. 이는 AMP 시퀀스의 물리화학적 인코딩을 통해 정확한 시뮬레이션 기반 분류 및 내성 가능성이 낮은 새로운 펩타이드 항생제의 신규 설계를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Antimicrobial peptides (AMPs) are anti-infectives that have potential as a novel and untapped class of biotherapeutics. Modes of action of antimicrobial peptides imply interaction with cell envelope. Comprehensive understanding of peculiarities of interactions of antimicrobial peptides with cell envelope is necessary to perform the task-oriented design of new biotherapeutics, against which for microbes it is hard to work out resistance. In order to enable a de novo design with low costs and in high throughput, in silico predictive models have to be required. To develop the performant predictive model, comprehensive knowledge on mechanisms of action of AMPs has to be possessed. The last knowledge will allow us to encode amino acid sequences expressively and to get success to the choosing of the accurate classifier of AMPs. A shared protective layer of microbial cells is inner, plasmatic membrane. The interaction of AMP with a biological membrane (native and/or artificial) is the most comprehensively studied. We provide a review of mechanisms and results of interaction of AMP with the cell membrane, relying on the survey of physicochemical, aggregative and structural features of AMPs. Potency and mechanism of action of AMP have presented in the terms of amino acid compositions and distributions of the polar and apolar residues along the chain, that is in such physicochemical features of peptides as the hydrophobicity, hydrophilicity, and amphiphilicity. Many different approaches were used to classify AMPs. The survey of the knowledge on sequences, structures, and modes of actions of AMP, allows concluding that, only the physicochemical features of AMPs give the capability to perform the unambiguous classification. Comprehensive knowledge of physicochemical features of AMP is necessary to develop task-oriented methods of design of peptide-based antibiotics de novo.

연구 동기 및 목표

• 생물막과의 상호작용를 규명하는 데 필요한 물리화학적 특성을 체계화하기 위해.
• AMP 활성도와 메커니즘을 예측할 수 있는 시퀀스 기반 물리화학적 기술—예를 들어, 친수성, 친수성, 양친수성—을 식별하기 위해.
• 물리화학적 인코딩을 활용한 시뮬레이션 기반 AMP 분류 기반을 마련하여 신약 설계를 지원하기 위해.
• 작업 중심의 메커니즘 기반 펩타이드 설계를 통해 미생물 내성의 진화적 가능성을 줄이기 위해.
• 물리화학적 모델링을 통해 AMP 시퀀스 특성을 기능적 결과로 번역할 수 있는 종합적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• AMP-막 상호작용에 관한 실험적 및 계산적 연구에 대한 체계적 리뷰.
• AMP 시퀀스의 극성 및 비극성 잔기 조성과 분포 분석.
• 물리화학적 매개변수 평가: 친수성, 친수성, 양친수성은 예측 기능으로서의 특성.
• 구조적, 집합적, 물리화학적 데이터 통합을 통해 AMP 기능에 일관된 패턴 식별.
• 기계학습 기반 분류기 개발을 위한 시퀀스 기반 물리화학적 인코딩 활용.
• 다양한 AMP 분류 접근법 비교를 통해 물리화학적 특성에 기반한 가장 신뢰성 있고 명확한 방법 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항미생물 펩타이드의 어떤 물리화학적 특성이 세포막 파괴 활성과 가장 강하게 상관관계를 가지는가?
• RQ2 친수성 및 비극성 잔기의 공간적 분포는 AMP의 작용 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 물리화학적 기술만으로도 다양한 가족과 작용 방식을 가진 AMP를 명확하게 분류할 수 있는가?
• RQ4 물리화학적 인코딩이 고속 스크리닝 및 시뮬레이션 기반 신규 AMP 설계를 얼마나 지원할 수 있는가?
• RQ5 세포막 특이적 물리화학적 상호작용이 AMP의 활성도와 선택성 결정에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 친수성, 친수성, 양친수성은 AMP 활성도와 메커니즘에 가장 예측 가능한 물리화학적 특성이다.
• 펩타이드 사슬을 따라 극성 및 비극성 잔기의 분포는 세포막 상호작용과 난공 페어밍의 핵심 결정 요소이다.
• 물리화학적 특성만으로도 기존의 시퀀스 기반 또는 구조적 기반 접근보다 더 강력하고 명확한 기반을 제공하여 AMP를 분류할 수 있다.
• 이러한 특성에 대한 종합적 이해를 바탕으로 신규 AMP 설계를 위한 예측 가능한 시뮬레이션 모델 개발이 가능하다.
• 막 상호작용 메커니즘은 시퀀스 유사성만으로 이해하는 것보다 물리화학 원리에 기반하여 더 잘 이해할 수 있다.
• 물리화학적 기술을 분류 체계에 통합하면 내성 가능성이 낮은 항생제의 합리적 설계를 지원한다.