Antimicrobial activity, stability, cytotoxicity and mechanism of action determination of antimicrobial peptide against Bacillus cereus improved by cyclization
Article Sidebar
Main Article Content
Abstract
Abstract
Bacillus cereus is a food-borne pathogenic bacteria found in various food products that can produce heat-resistant endospores and toxins. Nowadays, the emergence of antibiotic resistance caused by B. cereus has increased. Because of their bioactive properties, broad-spectrum antimicrobial activities against a wide range of pathogenic bacteria and low propensity to induce drug-resistant development, antimicrobial peptides (AMPs) are considered a new source of potential candidates for the development of novel antimicrobial agents. However, there are some limitations for applications, including low stability due to proteolytic degradation, cation of salt impediment, and heat denaturation. These limitations can be overcome by peptide modification such as cyclization. The aim of this study, therefore, was to determine the antimicrobial activity, stability, cytotoxicity, and mechanism of action of peptides improved by cyclization (cyclic PA) compared with PA parental peptide. The antimicrobial activity was determined by broth microdilution and the results demonstrated that cyclic PA was as active as PA peptide against Bacillus cereus ATCC11778, with MIC and MBC values of 7.81 µg/mL. The results from the stability test demonstrated that both peptides showed strong heat stability even at 100 °C. However, cyclic PA showed more stability than PA against pepsin digestion and hindrance from cation salts. In addition, the cyclic PA exhibited no cytotoxicity at all tested concentrations, while the PA peptide showed statistically significant cytotoxicity at concentrations of ≥31.25 µg/mL. Flow cytometric analysis results indicated that PA and cyclic PA peptides induced high levels of membrane depolarization and permeabilization (97.89 ± 2.73% and 99.50 ± 0.56%, respectively) at their MICs. In conclusion, the modification of peptides by cyclization could be used to improve the stability and reduce the toxicity of AMPs. Our study also highlighted the potential of cyclic PA peptide for the development of novel antimicrobial agents in the future.
Keywords: Antimicrobial peptides, Cyclization, Stability, Cytotoxicity, Mechanism of action
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
ความคิดเห็นและข้อเสนอแนะใดๆ ที่นำเสนอในบทความเป็นของผู้เขียนแต่เพียงผู้เดียว โดยบรรณาธิการ กองบรรณาธิการ และคณะกรรมการวารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยปทุมธานี ไม่ได้มีส่วนเกี่ยวข้องแต่อย่างใด มหาวิทยาลัย บรรณาธิการ และกองบรรณาธิการจะไม่รับผิดชอบต่อข้อผิดพลาดหรือผลที่เกิดจากการใช้ข้อมูลที่ปรากฏในวารสารฉบับนี้
References
บรรณานุกรม
สมปอง คล้ายหนองสรวง. (2558). เปปไทด์ต้านจุลชีพในสัตว์เลื้อยคลาน. กรุงเทพฯ: อมรินทร์.
สถาบันอาหาร กระทรวงอุตสาหกรรม. (2565). จุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรค: Bacillus cereus. 16 มิถุนายน 2565. http://fic.nfi.or.th/foodsafety/upload/damage/pdf/bacillus_cereus_2.pdf
สิริยากร แสนแก้ว, วันซุลกิฟลี หะยีตาเหร์, ธนัญญา ทิพย์อักษร และอรอุมา จันทร์เสถียร. (2564). การตรวจหาเชื้อ บาซิลลัส ซีเรียส ในน้ำพริกพร้อมบริโภค. การประชุมวิชาการระดับชาติ วิทยาลัยนครราชสีมา ครั้งที่ 8: สู่ชีวิตวิถีใหม่ ด้วยงานวิจัยทางสุขภาพและบริการ
สรศักดิ์ อินทรสูตร (2013). เปปไทด์ต้านจุลชีพ: โปรตีนจากธรรมชาติกับการประยุกต์ใช้เพื่อการรักษาโรคติดเชื้อในอนาคต. วารสารเทคนิคการแพทย์เชียงใหม่, 46, 2-14.
Andrews, J. M. (2001). Determination of minimum inhibitory concentrations. Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 48 Suppl 1, 5-16.
Aoki, W., & Ueda, M. (2013). Characterization of antimicrobial peptides toward the development of novel antibiotics. Pharmaceuticals (Basel), 6(8), 1055-1081.
Chou, S., Wang, J., Shang, L., Akhtar, M. U., Wang, Z., Shi, B., Shan, A. (2019). Short, symmetric-helical peptides have narrow-spectrum activity with low resistance potential and high selectivity. Biomaterials Science, 7(6), 2394-2409.
Friedrich, C., Scott, M. G., Karunaratne, N., Yan, H., & Hancock, R. E. (1999). Salt-resistant alpha-helical cationic antimicrobial peptides. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 43(7), 1542-1548.
Jia, F., Wang, J., Peng, J., Zhao, P., Kong, Z., Wang, K., Wang, R. (2017). D-amino acid substitution enhances the stability of antimicrobial peptide polybia-CP. Acta Biochimica et Biophysica Sinica, 49(10), 916-925.
Klubthawee, N., Adisakwattana, P., Hanpithakpong, W., Somsri, S., & Aunpad, R. (2020). A novel, rationally designed, hybrid antimicrobial peptide, inspired by cathelicidin and aurein, exhibits membrane-active mechanisms against Pseudomonas aeruginosa. Scientific reports, 10(1), 9117-9117.
Kotiranta, A., Lounatmaa, K., & Haapasalo, M. (2000). Epidemiology and pathogenesis of Bacillus cereus infections. Microbes and Infection, 2(2), 189-198.
Li, Y., Xiang, Q., Zhang, Q., Huang, Y., & Su, Z. (2012). Overview on the recent study of antimicrobial peptides: origins, functions, relative mechanisms and application. Peptides, 37(2), 207-215.
Molhoek, E. M., van Dijk, A., Veldhuizen, E. J., Haagsman, H. P., & Bikker, F. J. (2011). Improved proteolytic stability of chicken cathelicidin-2 derived peptides by D-amino acid substitutions and cyclization. Peptides, 32(5), 875-880.
Ong, Z. Y., Wiradharma, N., & Yang, Y. Y. (2014). Strategies employed in the design and optimization of synthetic antimicrobial peptide amphiphiles with enhanced therapeutic potentials. Advanced Drug Delivery Reviews, 78, 28-45.
Sornchuer, P., & Tiengtip, R. (2021). Prevalence, virulence genes, and antimicrobial resistance of Bacillus cereus isolated from foodstuffs in Pathum Thani Province, Thailand. Pharmaceutical Sciences Asia, 48, 194-203.
Steinberg, D. A., Hurst, M. A., Fujii, C. A., Kung, A. H., Ho, J. F., Cheng, F. C., Fiddes, J. C. (1997). Protegrin-1: a broad-spectrum, rapidly microbicidal peptide with in vivo activity. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 41(8), 1738-1742.
Sun, H. Q., Lu, X. M., & Gao, P. J. (2011). The Exploration of the Antibacterial Mechanism of FE(3+) against Bacteria. Brazilian journal of microbiology. Brazilian Society for Microbiology, 42(1), 410-414.
Xu, W., Zhu, X., Tan, T., Li, W., & Shan, A. (2014). Design of Embedded-Hybrid Antimicrobial Peptides with Enhanced Cell Selectivity and Anti-Biofilm Activity. PLOS ONE, 9(6), e98935.