نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• فاطمه ابراهیمی ترکی ¹
• محبوبه ضرابی ²
• مهکامه شربتدار ³
• احیا عبدی عالی ⁴

¹ گروه بیوتکنولوژی، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه الزهرا، تهران، ایران

² گروه بیوتکنولوژی .دانشکده علوم زیستی،دانشگاه الزهرا

³ ایران، تهران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، دانشکده مهندسی مکانیک

⁴ ایران، تهران، دانشگاه الزهرا، دانشکده علوم زیستی، گروه میکروبیولوژی

چکیده

بیوفیلم ها، توده‌های باکتریایی پیچیده که توسط یک ماتریکس خارج سلولی احاطه شده اند. باکتری ها در بیوفیلم، افزایش مقاومت 1000 برابری در برابر آنتی بیوتیک‌های متداول، نشان می دهند. این مطالعه به بررسی استراتژی‌های جدید شامل پپتیدهای ضد میکروبی به عنوان جایگزینی برای آنتی‌بیوتیک‌های معمولی می‌پردازد. دو رویکرد برای اثرات ضد بیوفیلم پپتیدها بررسی شده است: مهار سیگنال ppGpp، که در توسعه و ماندگاری بیوفیلم بسیار مهم است، و اختلال در ساختار غشای سلولی هدف. دو لایه‌های لیپیدی برای حالت بیوفیلمی با محتوای لیپیدی نزدیک به واقعیت براساس نتایج تجربی و دولایه‌ی لیپیدی مدل (POPE:POPG 2:1) آماده‌سازی شده و با شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تمام اتمی، مشخصه‌های بیومکانیکی و مولکولی دولایه‌های لیپیدی محاسبه و تحلیل گردیدند. پارامترهای مساحت به ازای هر لیپید، ضخامت، نظم، انحنا، پروفایل‌های چگالی الکترون و جرم، تابع توزیع شعاعی، تراکم‌پذیری، ماژول خمشی و درهم-تنیدگی محاسبه گردید. رفتار پپتید GL13K در حضور دو لایه‌های لیپیدی مدل و بیوفیلم، با تمرکز بر ویژگی‌های ساختاری، انرژی‌های متقابل و سطح قابل دسترس بررسی شد. لیپیدهای با رنجیره جانبی غیر اشباع-حلقوی منجر به کاهش ضخامت و انتشار جانبی، افزایش درهم تنیدگی و تراکم‌پذیری، ماژول خمش و مساحت به ازای هر لیپید، در مقایسه با دولایه‌ی مدل گردید. در هر دو حالت حضور پپتید باعث افزایش بی‌نظمی غشایی شده است. جهت‌گیری پپتید و میزان و نوع نزدیکی آن، به دولایه‌ی بیوفیلمی و مدل متفاوت بود. سطح در دسترس بالاتر پپتید در میانکنش با دولایه‌ی مدل در مقایسه با حالت بیوفیلمی مشاهده گردید.

کلیدواژه‌ها

• بیوفیلم باکتریایی
• بیومکانیک
• پپتیدهای ضدبیوفیلم
• دینامیک مولکولی

موضوعات

• بیوانفورماتیک

عنوان مقاله [English]

Biomechanical Investigation of Bacterial Biofilm Membrane and Assessment of the Anti-Biofilm Peptide Effects on Molecular and Biomechanical Characteristics of the Membrane: A Molecular Dynamics Investigation

نویسندگان [English]

• Fatemeh Ebrahimi Tarki ¹
• Mahboobeh Zarrabi ²
• Mahkame Sharbatdar ³
• Ahya Abdi Ali ⁴

¹ Department of Biotechnology, Faculty of Biological Sciences, Alzahra University, Tehran, Iran

² Department of Biotechnology, Faculty of Biological Sciences, Alzahra University, Tehran, Iran

³ Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

⁴ Department of Microbiology, Faculty of Biological Sciences, Alzahra University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Biofilms are complex bacterial aggregates surrounded by an extracellular matrix. Bacteria in the biofilm state show a 1000-fold increase in antibiotic resistance. This study explores new strategies involving antimicrobial peptides as an alternative to conventional antibiotics. Two approaches have been investigated for the anti-biofilm effects of peptides: inhibition of ppGpp signaling, which is crucial in biofilm development and persistence, and disruption of target cell membrane structure. Lipid bilayers have been prepared for biofilm state with lipid content close to reality based on experimental results and lipid bilayer model (POPE: POPG 2:1) and with all-atom molecular dynamics simulation, biomechanical and molecular characteristics have been assessed. The parameters of area per lipid, thickness, order, curvature, electron and mass density profiles, radial distribution function, compressibility, bending modulus, and interdigitation were calculated. The behavior of GL13K peptide in the presence of model and biofilm lipid bilayers was investigated, focusing on structural features, interaction energies, and accessible surface area. Unsaturated and cyclic-containing side-chain lipids in the biofilm bilayer led to a decrease in thickness and lateral diffusion, an increase in interdigitation and compressibility, bending modulus, and area per lipid compared to the model bilayer. In both cases, the presence of the peptide has increased membrane disorder. The peptide exhibited varying orientations and proximities, resulting in a higher accessible surface area when interacting with the model bilayer compared to the biofilm state.

کلیدواژه‌ها [English]

• Antibiofilm peptides
• Bacterial biofilm
• Biomechanics
• Molecular dynamics