抗菌肽Magainin和Indolicidin对革兰氏阴性菌和阳性菌膜的作用机制

doi:10.7503/cjcu20250356

摘要/Abstract

摘要：

采用分子动力学模拟对比研究了抗菌肽Magainin和Indolicidin分别与革兰氏阴性菌和阳性菌膜的相互作用机制. 统计分析了两种肽的结构变化、吸附过程、对膜结构的扰动及其与膜的相互作用. 结果表明, Magainin在水相中螺旋结构较不稳定, 但在膜环境中可重新形成稳定的螺旋结构, 且在革兰氏阴性菌膜上表现出更强的结合能力和更显著的膜扰动效应, 说明其对革兰氏阴性菌膜具有更高的选择性. 相比之下, Indolicidin始终保持柔性的无规卷曲结构, 通过快速吸附与膜表面稳定结合, 其作用机制以静电吸引和疏水作用协同为主, 但对革兰氏阴性菌膜和阳性菌膜的扰动均较小. 对比研究结果为理解Magainin对革兰氏阴性菌的选择性和Indolicidin的广谱性提供了理论依据.

关键词: Magainin, Indolicidin, 革兰氏阴性菌膜, 革兰氏阳性菌膜

Abstract:

Molecular dynamics simulations were employed to comparatively investigate the interaction mechanisms of the antimicrobial peptides Magainin and Indolicidin with the cell membranes of Gram-negative and Gram-positive bacteria， respectively. Structural changes， adsorption process， membrane perturbations， and peptide-membrane interactions of both peptides were systematically analyzed. The results demonstrate that Magainin， which exhibits an unstable helical structure in an aqueous environment， forms a stable helix upon binding to membranes. Moreover， it shows stronger binding ability and more significant disruption on the membrane of Gram-negative bacteria， indicating its higher selectivity for this type of bacteria. In contrast， Indolicidin maintains a flexible random coil structure， enabling rapid adsorption and stable binding to the membrane surface primarily through synergistic electrostatic attraction and hydrophobic interactions. However， it causes relatively minor perturbation to both types of bacterial membranes. This comparative study provides a theoretical basis for understanding the selectivity of Magainin for Gram-negative bacteria and the broad-spectrum activity of Indolicidin.

Key words: Magainin, Indolicidin, Gram-negative bacterial membrane, Gram-positive bacterial membrane

中图分类号:

O641

TrendMD:

安彦楠, 邵学广, 蔡文生. 抗菌肽Magainin和Indolicidin对革兰氏阴性菌和阳性菌膜的作用机制. 高等学校化学学报, 2026, 47(7): 20250356.

AN Yannan, SHAO Xueguang, CAI Wensheng. Mechanism of Action of Antimicrobial Peptides Magainin and Indolicidin on Gram-negative and Gram-positive Bacterial Membranes. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(7): 20250356.

图/表 9

Table 1 Details of molecular assemblies investigated in this study

System	AMP	Molecular assembly	Box size/nm³	Simulation time/μs
1	Magainin	Water	5.5×5.5×5.5	1
2	Indolicidin	Water	5.5×5.5×5.5	1
3	Magainin	POPC/POPG（3∶1）⁃water	5.5×5.5×12	2
4	Magainin	POPC/POPG（5∶1）⁃water	5.5×5.5×12	2
5	Indolicidin	POPC/POPG（3∶1）⁃water	5.5×5.5×12	2
6	Indolicidin	POPC/POPG（5∶1）⁃water	5.5×5.5×12	2

Fig.1 Models of Magainin(A) and Indolicidin(B) in pure water, Magainin(C) and Indolicidin(D) with membranes

Fig.2 Contents of secondary structures at different moments(A, C) and secondary structures at key moments(B, D) of Magainin(A, B) and Indolicidin(C, D) in pure waterG： 3₁₀ helix， B： isolated β-bridge， C： coil， T： turn， E： extended strand， H： alpha helix.

Fig.3 Radius of gyration(Rg) of Magainin(A) and Indolicidin(B) in pure water

Fig.4 Distances of Magainin(A, B) and Indolicidin(C, D) from center of Gram⁃negative(A, C) and Gram⁃positive(B, D) bacterial membranesMembrane center is defined as 0 nm， blue lines indicate hydrophobic fatty acid tail region of membrane， yellow spheres represent lipid head groups（indicating membrane surface）， and peptides were initially located 2 nm away from membrane surface to allow folding and spontaneous adsorption. dav is average distance of peptide relative to membrane center in direction perpendicular to membrane surface over last 100 ns， smaller values indicate deeper membrane embedding.

Fig.5 Contents of secondary structures at different moments(A, C) and secondary structures at key moments(B, D) of Magainin on Gram⁃negative(A, B) and Gram⁃positive(C, D) bacterial membranesInitial structure of Magainin in membrane-peptide complex was structure at 50 ns of equilibrium simulation in pure water. G： 3₁₀ helix， B： isolated β-bridge， C： coil， T： turn， E： extended strand， H： alpha helix.

Fig.6 Contents of secondary structures at different moments(A, C) and secondary structures at key moments(B, D) of Indolicidin on Gram⁃negative(A, B) and Gram⁃positive(C, D) bacterial membranesInitial structure of Indolicidin in membrane-peptide complex was structure at 50 ns of equilibrium simulation in pure water. G： 3₁₀ helix， B： isolated β-bridge， C： coil， T： turn， E： extended strand， H： alpha helix.

Fig.7 Order parameter SCD of alkyl chain of membrane lipid POPC and POPG molecules of Magainin(A, B) and Indolicidin(C, D) with Gram⁃negative(A, C) and Gram⁃positive(B, D) bacteria

Fig.8 Interaction energy of Magainin(A, B) and Indolicidin(C, D) with Gram⁃negative(A, C) and Gram⁃positive(B, D) bacterial membranes

参考文献 43

[1]	Szymczak P.， Zarzecki W.， Wang J. J.， Duan Y. Q.， Wang J.， Coelho L. P.， Fuente⁃Nunez C.， Szczurek E.， Acc. Chem. Res.， 2025， 58（12）， 1831—1846
[2]	He M. Y.， Jiang Y. Q.， Yang Y.， Gong K. P.， Jiang X. P.， Tian Y.， J. Phys. Chem. B， 2025， 129（7）， 1956—1965
[3]	Ahmad N. A.， Ho J.， J. Chem. Inf. Model.， 2025， 65（1）， 417—426
[4]	Vega S. M.， Booth V.， Rowley C. N.， J. Phys. Chem. B， 2022， 126（29）， 5473—5480
[5]	Fitz A. R.， Klimov D. K.， Lockhart C.， J. Chem. Inf. Model.， 2025， 65（17）， 9251—9260
[6]	Zasloff M.， Nature， 2002， 415（6870）， 389—395
[7]	Subbalakshmi C.， Sitaram N.， FEMS Microbiol. Lett.， 1998， 160（1）， 91—96
[8]	Jackel E.， Lazzeri G.， Covino R.， J. Phys. Chem. B， 2025， 129（5）， 1586—1596
[9]	Benjamin A. B.， Moule M. G.， Didwania M. K.， Hardy J.， Saenkham⁃Huntsinger P.， Sule P.， Nielsen J. E.， Lin J. S.， Contag C. H.， Barron A. E.， Cirillo J. D.， Microbiol. Spectr.， 2022， 10（3）， e0053422
[10]	Wang H. P.， Liu X. Y.， Cai W. S.， Shao X. G.， Biomacromolecules， 2025， 26（11）， 7838—7851
[11]	Miao M. Y.， Guo Y. C.， Shao X. G.， Cai W. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（10）， 3116—3124
	妙孟姚，郭一畅，邵学广，蔡文生. 高等学校化学学报， 2021， 42（10）， 3116—3124
[12]	Cui S. L.， Zhang W. J.， Shao X. G.， Cai W. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（3）， 20210838
	崔韶丽，张维佳，邵学广，蔡文生. 高等学校化学学报， 2022， 43（3）， 20210838
[13]	Su L. L.， Shao X. G.， Cai W. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（4）， 20220745
	粟李醴，邵学广，蔡文生. 高等学校化学学报， 2023， 44（4）， 20220745
[14]	Tian C. S.， Liu X. Y.， Hao Y. L.， Fu H. H.， Shao X. G.， Cai W. S.， J. Phys. Chem. B， 2025， 129（5）， 1453—1461
[15]	Hao Y. L.， Liu X. Y.， Fu H. H.， Shao X. G.， Cai W. S.， Bioinformatics， 2024， 40（8）， btae497
[16]	Tian C. S.， Hao Y. L.， Fu H. H.， Shao X. G.， Cai W. S.， J. Chem. Inf. Model.， 2025， 65（18）， 9566—9575
[17]	Rivel T.， Biriukov D.， Kabelka I.， Vácha R.， J. Chem. Inf. Model.， 2025， 65（2）， 908—920
[18]	Andreev K.， Martynowycz M. W.， Ivankin A.， Huang M. L.， Kuzmenko I.， Meron M.， Lin B.， Kirshenbaum K.， Gidalevitz D.， Langmuir， 2016， 32（48）， 12905—12913
[19]	Hayouka Z.， Mortenson D. E.， Kreitler D. F.， Weisblum B.， Forest K. T.， Gellman S. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（42）， 15738—15741
[20]	Rozek A.， Friedrich C. L.， Hancock R. E.， Biochemistry， 2000， 39（51）， 15765—15774
[21]	Jo S.， Kim T.， Iyer V. G.， Im W.， J. Comput. Chem.， 2008， 29（11）， 1859—1865
[22]	Sharma P.， Vaiwala R.， Gopinath A. K.， Chockalingam R.， Ayappa K. G.， Langmuir， 2024， 40（15）， 7791—7811
[23]	Yao H.， Hong M.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136（6）， 2611—2624
[24]	Phillips J. C.， Hardy D. J.， Maia J. D. C.， Stone J. E.， Ribeiro J. V.， Bernardi R. C.， Buch R.， Fiorin G.， Hénin J.， Jiang W.， McGreevy R.， Melo M. C. R.， Radak B. K.， Skeel R. D.， Singharoy A.， Wang Y.， Roux B.， Aksimentiev A.， Luthey⁃Schulten Z.， Kalé L. V.， Schulten K.， Chipot C.， Tajkhorshid E.， J. Chem. Phys.， 2020， 153（4）， 044130
[25]	Huang J.， Rauscher S.， Nawrocki G.， Ran T.， Feig M.， de Groot B. L.， Grubmüller H.， MacKerell A. D.， Nat. Methods， 2017， 14（1）， 71—73
[26]	Jorgensen W. L.， Chandrasekhar J.， Madura J. D.， Impey R. W.， Klein M. L.， J. Chem. Phys.， 1983， 79（2）， 926—935
[27]	Feller S. E.， Zhang Y.， Pastor R. W.， Brooks B. R.， J. Chem. Phys.， 1995， 103（11）， 4613—4621
[28]	Ulmschneider J. P.， Smith J. C.， White S. H.， Ulmschneider M. B.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133（39）， 15487—15495
[29]	Ulmschneider M. B.， Ulmschneider J. P.， Schiller N.， Wallace B. A.， Von Heijne G.， White S. H.， Nat. Commun.， 2014， 5， 4863
[30]	Chen C. H.， Starr C. G.， Troendle E.， Wiedman G.， Wimley W. C.， Ulmschneider J. P.， Ulmschneider M. B.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（12）， 4839—4848
[31]	Hess B.， Bekker H.， Berendsen H. J. C.， Fraaije J. G. E. M.， J. Comput. Chem.， 1997， 18（12）， 1463—1472
[32]	Essmann U.， Perera L.， Berkowitz M. L.， Darden T.， Lee H.， Pedersen L. G.， J. Chem. Phys.， 1995， 103（19）， 8577—8593
[33]	Humphrey W.， Dalke A.， Schulten K.， J. Mol. Graph.， 1996， 14（1）， 33—38
[34]	Kumar A.， Mishra B.， Konar A. D.， Mylonakis E.， Basu A.， J. Phys. Chem. B， 2024， 128（25）， 6049—6058
[35]	Volovik M. V.， Batishchev O. V.， Biomolecules， 2024， 14（9）， 1118
[36]	Fojan P.， Gurevich L.， Methods Mol. Biol.， 2017， 1548， 201—215
[37]	Liu L.， Shi Z. H.， Tong M. Q.， Fang Y. Q.， Yang D. Y.， Yu J. F.， Cao Z. X.， J. Chem. Inf. Model.， 2025， 65（5）， 2623—2635
[38]	Jaradat D. M. M.， Saleh K. K. Y.， Za'arir B. H. M.， Arafat T.， Alzoubi K. H.， Al‑Taweel S. A.， Mallah E.， Haddad M. A.， Haimur B. A. K.， Int. J. Pept. Res. Ther.， 2019， 25（3）， 1095—1102
[39]	Gupta S.， Abhishek， Shrivastava S.， Singh R. J.， Gogoi P.， Kumar B.， Int. J. Pept. Res. Ther.， 2021， 27（2）， 1111—1119
[40]	Vergis J.， Malik S. S.， Pathak R.， Kumar M.， Ramanjaneya S.， Kurkure N. V.， Barbuddhe S. B.， Rawool D. B.， Front. Microbiol.， 2019， 10， 2723
[41]	Nguyen L. T.， Haney E. F.， Vogel H. J.， Trends Biotechnol.， 2011， 29（9）， 464—472
[42]	Talandashti R.， Mehrnejad F.， Rostamipour K.， Doustdar F.， Lavasanifar A.， J. Phys. Chem. B， 2021， 125（26）， 7163—7176
[43]	Ma W. D.， Sun S. Q.， Li W. W.， Zhang Z. H.， Lin Z.， Xia Y.， Yuan B.， Yang K.， Langmuir， 2020， 36（26）， 7190—7199