Tryptophan-rich antimicrobial peptides: comparative properties and membrane interactions

David J. Schibli, Raquel F. Epand, Hans J. Vogel, and Richard M. Epand

Abstract: The interaction of several tryptophan (Trp)-rich cationic antimicrobial peptides with membranes was investigated. These peptides included tritrpticin, indolicidin, lactoferricin B (Lfcin B), and a shorter fragment of lactoferricin (LfcinB_4–9). The average environment of the Trp residues of these peptides was assessed from their fluorescence properties, both the wavelength of maximal emission as well as the red edge effect. The insertion of the peptides into vesicles of differing composition was examined using quenching of the Trp fluorescence, with both soluble acrylamide and nitroxide-labelled phospholipids as well as by chemical modification of the Trp residues with N-bromosuccinimide. The results were consistent with the Trp side chains positioned mostly near the membrane–water interface. The extent of burial of the Trp side chains appears to be greater in vesicles containing phospholipids with the anionic phosphatidylglycerol headgroup. Leakage of the aqueous contents of liposomes was also measured using the 8-aminonaphthalene-1,3,6-trisulfonic acid – p-xylene-bis-pyridinium bromide assay. Tritrpticin, which demonstrated the greatest red edge shift, also displayed the largest amount of leakage from liposomes. Taken together, the results illustrate that cationic Trp-rich antimicrobial peptides preferentially disrupt large unilamellar vesicles with a net negative charge following their insertion into the interfacial region of the phospholipid bilayer.

Key words: lactoferricin B, indolicidin, tritrpticin, antimicrobial peptide, membrane, vesicle, fluorescence, spin-label, quenching.

Résumé : L'interaction entre plusieurs peptides antimicrobiens cationiques riches en tryptophane (Trp) et les membranes a été étudiée. Parmi ces peptides, il y a la tritrpticine, l'indolicidine, la lactoferricine B (Lfcin B) et un court fragment de la lactoferricine (LfcinB_4–9). L'environnement des résidus Trp de ces peptides a été étudié en analysant leurs propriétés fluorescentes : la longueur d'onde d'émission maximale et le décalage vers le rouge. L'insertion des peptides dans des vésicules ayant diverses compositions a été étudiée par l'extinction de la fluorescence du Trp, en utilisant de l'acrylamide soluble et des phospholipides marqués avec un groupe nitroxyde, ainsi que par la modification chimique des résidus Trp par le N-bromosuccinimide. Les résultats indiquent que les chaînes latérales de Trp seraient surtout situées près de l'interface eau–membrane. L'enfouissement des chaînes latérales de Trp serait plus prononcé dans les vésicules contenant des phospholipides ayant le groupe anionique du phosphatidylglycérol. La fuite du milieu aqueux des liposomes a aussi été mesurée à l'aide d'un test ANTS/DPX. La tritrpticine, qui a le plus grand décalage vers le rouge, entraîne également la plus grande fuite des liposomes. Dans leur ensemble, ces résultats montrent que des peptides antimicrobiens riches en Trp dissocient préférentiellement les grandes vésicules unilamellaires ayant une charge nette négative, à la suite de leur insertion à l'interface de la bicouche phospholipidique.

Mots clés : lactoferricine B, indolicidine, tritrpticine, peptide antimicrobien, membrane, vésicule, fluorescence, marqueur de spin, extinction.

[Traduit par la Rédaction]