Synthesis of labeled peptides and study by EPR methods of their interaction with biological membranes

Antimicrobial peptides (AMPs) have been proposed as antitumor molecules since they sometimes displayed selective cytotoxicity towards cancer cells; they have the potential to bypass multi-drug resistance, as they exert their bioactivity by interacting with the membranes, without a specific target. Trichogin GA IV (TG) belongs to lipopeptaibols, a class of antimicrobial peptides characterized by the presence of tetrasubstituted alpha-amino acids in their sequence. Differently from other AMPs, lipopeptaibols present a significant resistance to enzyme hydrolysis. The purpose of the present Ph.D. thesis is the study of the peptide-membrane interaction in healthy and cancer cells as the membrane perturbing ability of these peptides is most likely at the basis of the selective cytotoxicity of the peptides. Working in physiological condition was of primary importance to untangle the specificity of the different peptides for the various cell lines: the membrane properties at physiological temperature are indeed among the main determinants of the peptide-membrane interaction. The study has been conducted using several techniques. Structural features of TG analogs have been quantified to rationally design new analogs with different characteristics. The results of cytotoxicity assays on cancer and healthy cells showed that it is possible to tune the toxicity of TG towards cells with different membrane composition. Fluorescence microscopy showed peptides localization on cell membranes. Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy is a versatile technique that has been widely exploited to determine the affinity of spin labeled peptides for model and cell membranes and their orientation in the phospholipid bilayer. The obtained results are promising, as we could relate structural modification with variations in TG analogs toxicity, an encourage further studies.

I peptide antimicrobici (AMPs) sono stati proposti come possibili molecole antitumorali, poiché alcuni studi hanno evidenziato la capacità di alcuni AMPs di attaccare selettivamente alcune cellule tumorali; gli AMPs sono promettenti in quanto il loro meccanismo di azione, che prevede un attacco aspecifico sulle membrane cellulari, premette di superare lo sviluppo di resistenza ai convenzionali farmaci antibiotici ed antitumorali. La Tricogina GA IV (TG) appartiene alla famiglia dei lipopeptaibolici, una classe di peptidi antimicrobici, la cui sequenza è caratterizzata dalla presenza di alfa-ammino acidi tetrasostituiti. Diversamente da quanto osservato per altre classi di AMPs, i lipopeptaibolici sono particolarmente resistenti all’idrolisi enzimatica. Lo scopo del presente lavoro di tesi è lo studio dell’interazione peptide-membrana nel caso di cellule sane e tumorali. Infatti, la capacità di questi peptidi di perturbare le membrane è probabilmente alla base della selettività per le cellule tumorali che alcuni di essi hanno mostrato. Di primaria importanza è stato eseguire la maggior parte degli esperimenti in condizioni fisiologiche, in quanto le proprietà delle membrane a temperatura fisiologica sono tra i principali determinanti dell’interazione peptide-membrana. In questo studio sono state utilizzate diverse tecniche. Le caratteristiche strutturali degli analoghi della TG sono state quantificate per poter sviluppare un design razionale di nuovi analoghi che presentassero caratteristiche strutturali differenti. I risultati di tossicità degli analoghi della TG su cellule sane e tumorali hanno evidenziato che è in effetti possibile modulare l’attività di questi peptidi verso cellule le cui membrane presentano diversa composizione. Tramite microscopia di fluorescenza si è osservato come questi peptidi si localizzino sulle membrane cellulari. La Risonanza Paramagnetica Elettronica (EPR) è una tecnica spettroscopia versatile che è stata utilizzata per determinare quale fosse l’affinità di peptidi marcati con sonde paramagnetiche per diversi sistemi membrano-mimetici e per membrane cellulari; inoltre è stata determinata l’orientazione che tali peptidi assumono quando immersi in un doppio strato fosfolipidico. I risultati ottenuti sono promettenti ed hanno evidenziato che è possibile correlare modifiche strutturali con variazioni nella tossicità degli analoghi della TG.