Aggregation of liposomes induced by calcium: A structural and kinetic study

In this work, the calcium-induced aggregation of phosphatidylserine liposomes is probed by means of the analysis of the kinetics of such process as well as the aggregate morphology. This novel characterization of liposome aggregation involves the use of static and dynamic light-scattering techniques to obtain kinetic exponents and fractal dimensions. For salt concentrations larger than 5 mM, a diffusion-limited aggregation regime is observed and the Brownian kernel properly describes the time evolution of the diffusion coefficient. For slow kinetics, a slightly modified multiple contact kernel is required. In any case, a time evolution model based on the numerical resolution of Smoluchowski's equation is proposed in order to establish a theoretical description for the aggregating system. Such a model provides an alternative procedure to determine the dimerization constant, which might supply valuable information about interaction mechanisms between phospholipid vesicles.

Phospholipid bilayer perturbing-properties underlying lysis induced by pH-sensitive cationic lysine-based surfactants in biomembranes

Many strategies for treating diseases require the delivery of drugs into the cell cytoplasm following internalization within endosomal vesicles. Thus, compounds triggered by low pH to disrupt membranes and release endosomal contents into the cytosol are of particular interest. Here, we report novel cationic lysine-based surfactants (hydrochloride salts of Nε- and Nα-acyl lysine methyl ester) that differ in the position of the positive charge and the length of the alkyl chain. Amino acid-based surfactants could be promising novel biomaterials in drug delivery systems, given their biocompatible properties and low cytotoxic potential. We examined their ability to disrupt the cell membrane in a range of pH values, concentrations and incubation times, using a standard hemolysis assay as a model of endosomal membranes. Furthermore, we addressed the mechanism of surfactant-mediated membrane destabilization, including the effects of each surfactant on erythrocyte morphology as a function of pH. We found that only surfactants with the positive charge on the α-amino group of lysine showed pH-sensitive hemolytic activity and improved kinetics within the endosomal pH range, indicating that the positive charge position is critical for pH-responsive behavior. Moreover, our results showed that an increase in the alkyl chain length from 14 to 16 carbon atoms was associated with a lower ability to disrupt cell membranes. Knowledge on modulating surfactant-lipid bilayer interactions may help us to develop more efficient biocompatible amino acid-based drug delivery devices.

Desenvolupament de vacunes peptídiques y dendrímers basats en polietilenglicol per al tractament del càncer

El principal problema de les teràpies actuals contra el càncer es la baixa especificitat envers les cèl•lules tumorals, cosa que comporta gran quantitat d’efectes secundaris. Per això es important el desenvolupament de nous tipus de teràpies i sistemes d’alliberament efectius per als fàrmacs ja existents al mercat. En la immunoteràpia contra el càncer es pretén estimular el sistema immunològic per a eliminar les cèl•lules canceroses de manera selectiva. En aquest projecte s’han sintetitzat derivats de l’antigen peptídic de melanoma NY-ESO1 i s’ha estudiat la seva capacitat per a estimular el sistema immunològic com a vacunes contra el càncer. També s’han encapsulat el antígens peptídics en liposomes com a adjuvants i sistemes d’alliberament. De totes les variants peptídiques la que resultà més immunogènica fou la que contenia el grup palmitoil i el fragment toxoide tetànic en la seva estructura. La utilització de liposomes com a sistema adjuvant sembla una estratègia interessant per al disseny de vacunes contra el càncer donat que l’encapsulació del pèptid en liposomes va augmentar notablement la resposta immunològica de l’antigen. Per altra banda, s’han desenvolupat dendrímers basats en polietilenglicol com a sistemes alliberadors de fàrmacs per al tractament de tumors. El polietilenglicol és àmpliament utilitzat com a sistema d’alliberament de fàrmacs degut a les seves interessants propietats, augment de la solubilitat i dels temps de residència en plasma, entre d’altres. La metodologia química descrita permet la diferenciació controlada de varies posicions en la superfície del dendrímer a més del creixement del dendrímer fins a una segona generació. S’ha sintetitzat la primera generació del dendrímer contenint el fàrmac antitumoral 5-fluorouracil i s’han realitzat estudis de citotoxicitat comprovant que l’activitat del nanoconjugat és del mateix ordre de magnitud que el 5-fluorouracil sense conjugar.

Poliamines en estrès abiòtic i mecanismes moleculars

Les poliamines (PAs) putrescina (Put), espermidina (Spd) i espermina (Spm) són mol•lècules policatiòniques de baix pes molecular, presents en els microorganismes, animals i plantes. Les PAs han estat implicades en diversos processos cel•lulars importants, incloent la resposta de les plantes a l'estrès. No obstant això, el seu mode d'acció està es desconeix. En les plantes, es van acumulant evidències de que les PAs interactuen amb macromolècules i estructures cel•lulars, com ara proteïnes de membrana, i la seva possible participació en transducció de senyals s'ha convertit en una creixent i interessant àrea d'estudi. En aquesta tesi, la possible interacció entre les poliamines i les vies de senyalització de fosfolípids és investigada. Resultats previs, han posat de manifest que alteracions en els nivells endògens de poliamines (PAs), per sobreexpressió gènica o pèrdua de funció de gens de biosíntesi, redueixen o milloren, respectivament, la capacitat de les plantes d'Arabidopsis per tolerar agressions per estrès abiòtic, produint en alguns casos notables alteracions en el desenvolupament. En aquestes plantes amb nivells alterats de PAs s'han detectat canvis importants en l'expressió gènica i s'ha trobat una connexió entre el contingut de PAs ii la biosíntesi / senyalització d'àcid abscísic (ABA). La hipòtesi actual de treball és que aquestes alteracions en l'expressió gènica poden estar mediades, si més no en part, pel catabolisme de PAs, i l’acció directa o indirecta de les espècies reactives d'oxigen (ROS) que se’n deriven.

The Molecular Basis for Antimicrobial Activity of Pore-Forming Cyclic Peptides

The mechanism of action of antimicrobial peptides is, to our knowledge, still poorly understood. To probe the biophysical characteristics that confer activity, we present here a molecular-dynamics and biophysical study of a cyclic antimicrobial peptide and its inactive linear analog. In the simulations, the cyclic peptide caused large perturbations in the bilayer and cooperatively opened a disordered toroidal pore, 1–2 nm in diameter. Electrophysiology measurements confirm discrete poration events of comparable size. We also show that lysine residues aligning parallel to each other in the cyclic but not linear peptide are crucial for function. By employing dual-color fluorescence burst analysis, we show that both peptides are able to fuse/aggregate liposomes but only the cyclic peptide is able to porate them. The results provide detailed insight on the molecular basis of activity of cyclic antimicrobial peptides

Sequencing human-gibbon breakpoints of synteny reveals mosaic new insertions at rearrangement sites

The gibbon genome exhibits extensive karyotypic diversity with an increased rate of chromosomal rearrangements during evolution. In an effort to understand the mechanistic origin and implications of these rearrangement events, we sequenced 24 synteny breakpoint regions in the white-cheeked gibbon (Nomascus leucogenys, NLE) in the form of high-quality BAC insert sequences (4.2 Mbp). While there is a significant deficit of breakpoints in genes, we identified seven human gene structures involved in signaling pathways (DEPDC4, GNG10), phospholipid metabolism (ENPP5, PLSCR2), beta-oxidation (ECH1), cellular structure and transport (HEATR4), and transcription (ZNF461), that have been disrupted in the NLE gibbon lineage. Notably, only three of these genes show the expected evolutionary signatures of pseudogenization. Sequence analysis of the breakpoints suggested both nonclassical nonhomologous end-joining (NHEJ) and replication-based mechanisms of rearrangement. A substantial number (11/24) of human-NLE gibbon breakpoints showed new insertions of gibbon-specific repeats and mosaic structures formed from disparate sequences including segmental duplications, LINE, SINE, and LTR elements. Analysis of these sites provides a model for a replication-dependent repair mechanism for double-strand breaks (DSBs) at rearrangement sites and insights into the structure and formation of primate segmental duplications at sites of genomic rearrangements during evolution.

The membrane-permeable calmodulin inhibitors (W-7/W-13) bind to membranes changing the electrostatic surface potential. Dual effect of W-13 on EGFR activation

Membrane-permeable calmodulin inhibitors, such as the napthalenesulfonamide derivatives W-7/W-13, trifluoperazine, and calmidazolium, are used widely to investigate the role of calcium/calmodulin (Ca2+/CaM) in living cells. If two chemically different inhibitors (e.g. W-7 and trifluoperazine) produce similar effects, investigators often assume the effects are due to CaM inhibition. Zeta potential measurements, however, show that these amphipathic weak bases bind to phospholipid vesicles at the same concentrations as they inhibit Ca 2 /CaM; this suggests that they also bind to the inner leaflet of the plasma membrane, reducing its negative electrostatic surface potential. This change will cause electrostatically bound clusters of basic residues on peripheral (e.g. Src and K-Ras4B) and integral (e.g. epidermal growth factor receptor (EGFR)) proteins to translocate from the membrane to the cytoplasm. We measured inhibitor-mediated translocation of a simple basic peptide corresponding to the calmodulin-binding juxtamembrane region of the EGFR on model membranes; W-7/W-13 causes translocation of this peptide from membrane to solution, suggesting that caution must be exercised when interpreting the results obtained with these inhibitors in living cells. We present evidence that they exert dual effects on autophosphorylation of EGFR;W-13 inhibits epidermal growth factordependent EGFR autophosphorylation under different experimental conditions, but in the absence of epidermal growth factor, W-13 stimulates autophosphorylation of the receptor in four different cell types. Our interpretation is that the former effect is due toW-13inhibition of Ca 2 /CaM, but thelatter results could be due to binding of W-13 to the plasma membrane.

Estudi de noves estratègies encapsuladores d’antimalàrics i distribució de nanovectors polimèrics en Anopheles atroparvus

En aquest treball s’ha estudiat el comportament de compostos antimalàrics com els fàrmacs i els polímers en diferents situacions. Una de les barreres que ha estat identificada com a principal obstacle per a una millora de l’eficàcia dels compostos antimalàrics, és la limitació en la quantitat de fàrmac que pot ser encapsulada dins un liposoma, i que depèn de la seva solubilitat en medi aquós. Amb la inspiració de la descripció d’un nou tipus de nanocàpsules amb aplicacions oncològiques capaces d’encapsular grans quantitats de fàrmacs (protocells, Ashley et al., 2011). Els constructes formats per liposomes amb un nucli d’òxid de silici altament porós capaç de contenir el fàrmac, s’anomenen “protocells”, que en comparació als liposomes, tenen una major selectivitat i estabilitat, i permeten alliberar altes concentracions de droga directament al citosol de les cèl·lules cancerígenes. Aquest estudi es basa en la fabricació d’aquests nous nanovectors que continguin fàrmacs antimalàrics i té com a objectiu futur dirigir-los a eritròcits infectats per malària (pRBCs). Una altra part del treball és l’estudi de la distribució del polímer ISA-FITC en Anopheles atroparvus. Sabent que els polímers han estat utilitzats com a transportadors antimalàrics, es va pensar en l’opció d’eliminar el paràsit a dins del mateix mosquit, com una alternativa a tots el estudis realitzats fins ara centrats en les etapes d’infecció de l’hoste. Per aquest motiu es va idear l’experiment pensant en aquest polímer amb la intenció final de veure la seva localització en un mosquit Anopheles lliure del paràsit. OBJECTIUS: Determinació de la capacitat encapsuladora de tres tipus de nanopartícules, fabricades amb el mateix material però amb característiques de mida i càrrega diferents, incubant-les amb cinc fàrmacs antimalàrics. El blau de metilè, la primaquina, la cloroquina, la quinina i la curcumina, cadascun d’ells amb característiques de pH, solubilitat i estructura diferents. Alguns d’ells són fàrmacs que no s’han emprat en altres estudis degut a la seva toxicitat o elevada inespecificitat (la qual es pretén reduir un cop encapsulats en protocells). Construcció de “protocells” un cop determinada la millor nanopartícula encapsuladora i fàrmac candidat i determinació de la concentració de fàrmac que podien contenir, i el ritme d’alliberament d’aquest en PBS (simulant les condicions fisiològiques dels pRBCs). Estudi de la localització del polímer antimalàric ISA-FITC en l’anatomia del mosquit Anopheles Atroparvus. PROCEDIMENTS: Mètodes espectrofotomètrics Microscopia Cryo-electrònica de transmissió Microscopia confocal de fluorescència

Membrane interaction of a new synthetic antimicrobial lipopetide sp-85 with broad spectrum activity

Antimicrobial peptides offer a new class of therapeutic agents to which bacteria may not be able todevelop genetic resistance, since their main activity is in the lipid component of the bacterial cell mem-brane. We have developed a series of synthetic cationic cyclic lipopeptides based on natural polymyxin,and in this work we explore the interaction of sp-85, an analog that contains a C12 fatty acid at theN-terminus and two residues of arginine. This analog has been selected from its broad spectrum antibac-terial activity in the micromolar range, and it has a disruptive action on the cytoplasmic membrane ofbacteria, as demonstrated by TEM. In order to obtain information on the interaction of this analog withmembrane lipids, we have obtained thermodynamic parameters from mixed monolayers prepared withPOPG and POPE/POPG (molar ratio 6:4), as models of Gram positive and Gram negative bacteria, respec-tively. LangmuirBlodgett films have been extracted on glass plates and observed by confocal microscopy,and images are consistent with a strong destabilizing effect on the membrane organization induced bysp-85. The effect of sp-85 on the membrane is confirmed with unilamelar lipid vesicles of the same com-position, where biophysical experiments based on fluorescence are indicative of membrane fusion andpermeabilization starting at very low concentrations of peptide and only if anionic lipids are present.Overall, results described here provide strong evidence that the mode of action of sp-85 is the alterationof the bacterial membrane permeability barrier.

Structure and dynamics of the membrane attaching nitric oxide transporter nitrophorin 7

Nitrophorins represent a unique class of heme proteins that are able to perform the delicate transportation and release of the free-radical gaseous messenger nitric oxide (NO) in a pH-triggered manner. Besides its ability to bind to phospholipid membranes, the N-terminus contains an additional Leu-Pro-Gly stretch, which is a unique sequence trait, and the heme cavity is significantly altered with respect to other nitrophorins. These distinctive features encouraged us to solve the X-ray crystallographic structures of NP7 at low and high pH and bound with different heme ligands (nitric oxide, histamine, imidazole). The overall fold of the lipocalin motif is well preserved in the different X-ray structures and resembles the fold of other nitrophorins. However, a chain-like arrangement in the crystal lattice due to a number of head-to-tail electrostatic stabilizing interactions is found in NP7. Furthermore, the X-ray structures also reveal ligand-dependent changes in the orientation of the heme, as well as in specific interactions between the A-B and G-H loops, which are considered to be relevant for the biological function of nitrophorins. Fast and ultrafast laser triggered ligand rebinding experiments demonstrate the pH-dependent ligand migration within the cavities and the exit route. Finally, the topological distribution of pockets located around the heme as well as from inner cavities present at the rear of the protein provides a distinctive feature in NP7, so that while a loop gated exit mechanism to the solvent has been proposed for most nitrophorins, a more complex mechanism that involves several interconnected gas hosting cavities is proposed for NP7.