یافته های نوین در علوم زیستی

بررسی نظری و تجربی جهشهای جدید در پپتید هیستاتین 3 به منظور افزایش خاصیت ضد میکروبی آن

نویسندگان

زهرا توکلی
بهناز صفار
کریم مهنام
روح اله همتی

دانشگاه شهرکرد

https://doi.org/10.22034/NBR.11.3.44
چکیده
یکی از بحران های آینده نزدیک بشریت همه گیری بیماری های عفونی بعلت مقاومت آنتی بیوتیکی باکتری ها است. پپتیدهای خانواده هیستاتین‌ دارای خصوصیت ضدمیکروبی علیه سویه‎‌های مقاوم به دارو و التیام زخم می باشند. هدف از این پژوهش طراحی یک جهش برای افزایش خاصیت ضد باکتری پپتید هیستاتین 3 بود. در این پژوهش، ابتدا پپتید هیستاتین3 توسط برنامه گرومکس 5 به مدت 50 نانوثانیه در حضور آب و یون ها و همچنین در حضور میسل SDS به عنوان مدل غشا باکتری شبیه‌سازی دینامیک مولکولی شد. سپس به منظور افزایش خاصیت ضد باکتری هیستاتین3، هشت جهش‌ مختلف در این پپتید طراحی و ساختارآنها تهیه شد و هرکدام با همان شرایط قبل بطور جداگانه شبیه‌سازی دینامیک مولکولی شدند و انرژی آزاد اتصال پپتیدها با میسل SDS با روش MM/PBSA محاسبه شد. در نهایت 950 نانوثانیه شبیه سازی دینامیک مولکولی در شرایط ذکر شده نشان داد که جهش ترکیبی D1A-G9W دارای منفی‌ترین انرژی آزاد اتصال به میسل SDS است که نشاندهنده میانکنش بهتر این جهش با غشا باکتری است. نتایج بررسی های آزمون‌‌های میکروبی MIC این جهش برروی باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی، نشان از افزایش خاصیت ضدمیکروبی آن برروی باکتری های گرم مثبت داشت. نتایج این پژوهش نشان می دهد برای طراحی جهش به منظور افزایش خاصیت ضد میکروبی پپتیدها هردوی کاهش بارمنفی پپتید و افزایش خاصیت هیدروفوبیستی باید در نظر گرفته شود.

کلیدواژه‌ها

آزمون MIC
انرژی اتصال MM/PBSA
پپتیدهای ضدمیکروبی
جهش
شبیه‌سازی پویایی ملکولی

عنوان مقاله English

Theoretical and experimental investigation of new mutations in histatin 3 peptide to increase its antimicrobial properties

نویسندگان English

Zahra Tavakoli
Behnaz Saffar
Karim Mahnam
Rohollah Hemmati
چکیده English

A significant future challenge for humanity is the rise of infectious disease epidemics stemming from bacterial antibiotic resistance. The Histatin family exhibits antimicrobial properties against drug-resistant strains and promotes wound healing. This study aimed to engineer a novel mutant of Histatin 3 to enhance its antimicrobial efficacy. Initially, molecular dynamics simulations of Histatin 3 were conducted in the presence of water molecules and ions, as well as a Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) micelle, which serves as a model for bacterial membranes, using the GROMACS 5 software for a duration of 50 ns. Subsequently, to augment antibacterial properties, eight mutations were designed, and their structures were prepared, followed by individual MD simulations under the same conditions for each mutation. The binding free energy of the peptides with the SDS micelle was calculated using the MM/PBSA method. Ultimately, 950 ns MD simulation revealed that the D1A-G9W mutation exhibited the most favorable binding free energy to the SDS micelle, indicating enhanced interaction of this mutant with microbial membranes. Both this peptide and the wild-type Histatin 3 were synthesized, and their antimicrobial properties were assessed experimentally. The microbiological tests (MIC) on gram-negative and gram-positive stains demonstrated that this peptide was effective against gram-positive bacteria. The findings of this research suggest that, in designing mutations to enhance antimicrobial properties, attention should be given to both the reduction of negative charge and hydrophobicity.

کلیدواژه‌ها English

Antimicrobial peptides
molecular dynamics simulation
MIC test
mutation
MM/PBSA binding energy
Andrews, J.M. 2001. Determination of minimum inhibitory concentrations. Journal of antimicrobial Chemotherapy 48:5-16.
Akula S, Welinder C, Fu Z, Olsson AK, Hellman L. 2023. Identification of the Major Protein Components of Human and Cow Saliva. International journal of Molecular Science 28;24 (23):16838.
Butu, M. & Butu, A. 2011. Molecular Dynamics Simulation of The Human Alpha-Defensin 5. Digest Journal of Nanomaterials & Biostructures 6:907-914.
Chen, Y., Mant, C.T., Farmer, S.W., Hancock, R.E., Vasil, M.L. & Hodges, R.S. 2005. Rational design of α-helical antimicrobial peptides with enhanced activities and specificity/therapeutic index. Journal of Biological Chemistry 280:12316-29.
Crusca, J. E., Câmara, A.S., Matos, C.O., Marchetto, R., Cilli, E.M., Lião, L.M & et al. 2017. NMR structures and molecular dynamics simulation of hylin‐a1 peptide analogs interacting with micelles. Journal of Peptide Science 23:421-30.
Dong, W., Mao, X., Guan, Y., Kang, Y. & Shang, D. 2017. Antimicrobial and anti-inflammatory activities of three chensinin-1 peptides containing mutation of glycine and histidine residues. Scientific Reports 7:40228.
Friedrich, C.L., Moyles, D., Beveridge, T.J. & Hancock, R.E. 2000. Antibacterial action of structurally diverse cationic peptides on gram-positive bacteria. Antimicrobial agents and chemotherapy 44:2086-92.
Golshani S, Vatanara A, Balalaie S, Kadkhoda Z, Abdollahi M, Amin M. 2023. Development of a Novel Histatin-5 Mucoadhesive Gel for the Treatment of Oral Mucositis: In Vitro Characterization and In Vivo Evaluation. An Official Journal of the American Association of Pharmaceutical Scientists 28;24(7):177.
Hajishengallis G, Russell MW. 2015. Innate Humoral Defense Factors. Mucosal Immunology (Fourth Edition)
Humphrey, W., Dalke, A. & Schulten, K. 1996. VMD: visual molecular dynamics. Journal of molecular graphics 14:33-8.
Karimi, N., Saffar, B., Ghaedi, K. & Mobini Dehkordi, M. 2014. Defensins: Antimicrobial Peptides of Innate Immunity. Genetics in the Third Millennium 11:3306-3317. (In Persian).
Karplus, M. & McCammon, J.A. 2002. Molecular dynamics simulations of biomolecules. Nature Structural & Molecular Biology 9:646-52
Khurshid, Z., Naseem, M., Sheikh, Z., Najeeb, S., Shahab, S. & Zafar, M.S. 2016. Oral antimicrobial peptides: Types and role in the oral cavity. Saudi Pharmaceutical Journal 24:515-24.
Kia, A. & Darve, E. 2013. The accuracy of the CHARMM22/CMAP and AMBER ff99SB force fields for modelling the antimicrobial peptide cecropin P1. Molecular Simulation 39:922-36.
Kim, H., Jang, J.H., Kim, S.C. & Cho, J.H. 2013. De novo generation of short antimicrobial peptides with enhanced stability and cell specificity. Journal of Antimicrobial Chemotherapy 69:121-32.
Kubo S, Amai K, Tanaka J, Niimi H. 2023. One-tube, two-step isothermal amplification of histatin 3 mRNA for saliva screening. Forensic Science International. 352:111847. |
Kumari, R., Kumar, R., & Lynn, A. 2014. Open Source Drug Discovery Consortium. g_mmpbsa, A GROMACS tool for high-throughput MM-PBSA calculations. Journal of Chemical Information and Modeling 54:1951–1962.
Langham, A. & Kaznessis, Y.N. 2010. Molecular simulations of antimicrobial peptides. Antimicrobial Peptides: Methods and Protocols.
Oyama, L.B., Crochet, J.A., Edwards. J.E., Girdwood, S.E., Cookson, A.R., Fernandez-Fuentes, N. & et al. 2017. Buwchitin: A Ruminal Peptide with Antimicrobial Potential against Enterococcus faecalis. Frontiers in chemistry 5:51-63.
Pasupuleti, M., Schmidtchen, A. & Malmsten, M. 2012. Antimicrobial peptides: key components of the innate immune system. Critical reviews in biotechnology 32:143-71
Sayyed-Ahmad, A., Khandelia, H. & Kaznessis, Y.N. 2009. Relative free energy of binding between antimicrobial peptides and SDS or DPC micelles. Molecular simulation 35:986-997.
Seo, M.D., Won, H.S., Kim, J.H., Mishig-Ochir, T. & Lee, B.J. 2012. Antimicrobial peptides for therapeutic applications: a review. Molecules 17:12276-86.
Skog AE, Corucci G, Tully MD, Fragneto G, Gerelli Y, Skepö M. 2023. Interaction of a Histidine-Rich Antimicrobial Saliva Peptide with Model Cell Membranes: The Role of Histidines. Langmuir Journal 6;39 (22):7694-7706.
Tavakoli, Z., Saffar, B., Mahnam, K. & Hemati R. 2022. Design, Cloning, expression and purification of mutated Histatin3 and investigation of its antimicrobial effects. Iranian Journal of Biology 35:75-88. (In Persian).
Wang, G., Mishra, B., Lau, K., Lushnikova, T., Golla, R. & Wang, X. 2015. Antimicrobial peptides in 2014. Pharmaceuticals 8:123-50.
Welling, M.M., Brouwer, C.P., van't Hof, W., Veerman, E.C. & Amerongen, A.V. 2007. Histatin-derived monomeric and dimeric synthetic peptides show strong bactericidal activity towards multidrug-resistant Staphylococcus aureus in vivo. Antimicrobial Agents Chemotherapy 51:3416-3419.

  • تاریخ دریافت 18 خرداد 1405
  • تاریخ انتشار 18 خرداد 1405

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما