Publication:
Study of the electric interactions in peptide-membrane interaction using molecular dynamics simulations

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Authors
Quintana Jaramillo, Thalia
Embargoed Until
Advisor
Ramos, Rafael A.
College
College of Arts and Sciences - Sciences
Department
Department of Physics
Degree Level
M.S.
Publisher
Date
2024-05-09
Abstract
Inducing an increase in the permeability of biomembranes has become an attractive alternative for developing new treatments against cancer cells or bacteria. Two techniques to increase permeability are: through the application of electrical pulses, known as electroporation, or by facilitating the interaction of active peptides with biomembranes. Electroporation, however, has been limited by the need to apply high electric fields or prolonged exposure periods to achieve effective permeabilization, which can trigger significant side effects. On the other hand, understanding the mechanism of action of active peptides has presented challenges, making their design and implementation difficult. In the literature, it has been reported that the combination of cationic active peptides with electric pulses can reduce the intensity of the electric field required for membrane permeabilization. Nevertheless, the reasons behind this phenomenon have not yet been thoroughly explored. Based on this observation, we have used molecular dynamics simulations to investigate how the presence of a cationic peptide, specifically Cateslytin, can modify the impact of the electric field in the electroporation process. We found that when electrostatic interactions between the heads of the lipids and the cationic peptides, or ions, favor the reorientation of the lipid dipoles towards the direction of the field, the membrane permeabilization process occurs rapidly; thus, we suggest that this could explain the need for a lower intensity of the electric field.

Inducir un aumento en la permeabilidad de las biomembranas se ha convertido en una alternativa atractiva para desarrollar nuevos tratamientos contra células cancerígenas o bacterias. Dos de las técnicas para incrementar la permeabilidad son: mediante la aplicación de pulsos eléctricos, conocida como electroporación, o facilitando la interacción de péptidos con las biomembranas celulares, a estos se les llama péptidos activos. La electroporación, sin embargo, se ha visto limitada por la necesidad de aplicar campos eléctricos intensos o por periodos de exposición prolongados para alcanzar una permeabilización efectiva, lo cual puede desencadenar efectos secundarios significativos. Por otro lado, el entendimiento del mecanismo de acción de los péptidos activos ha presentado desafíos, lo que dificulta su diseño e implementación. En la literatura se ha reportado que la combinación de péptidos activos catiónicos con pulsos eléctricos puede disminuir la intensidad del campo eléctrico requerido para la permeabilización de la membrana. No obstante, aún no se han explorado a fondo las razones detrás de este fenómeno. Basándonos en esta observación, hemos empleado simulaciones de dinámica molecular para investigar cómo la presencia de un péptido catiónico, específicamente Cateslytin, puede modificar el impacto del campo eléctrico en el proceso de electroporación. Encontramos que cuando las interacciones electrostáticas entre las cabezas de los lípidos y los péptidos catiónicos o iones favorecen la reorientación de los dipolos lipídicos hacia la dirección del campo, el proceso de permeabilización de la membrana ocurre rápidamente y sugerimos que esto podría explicar la necesidad de un campo eléctrico de menor intensidad para inducir efectivamente la permeabilización de la membrana.
Keywords
Electroporation,
Membrane dipole moment,
Peptide,
Membrane permeabilization
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Cite
Quintana Jaramillo, T. (2024). Study of the electric interactions in peptide-membrane interaction using molecular dynamics simulations [Thesis]. Retrieved from https://hdl.handle.net/20.500.11801/3678