Cecropins (Cec) are antibacterial peptides and their expression is induced in a pig intestinal parasite Ascaris suum by bacterial infection. To explore the usefulness of its activity as an antibiotic, CecP4 cDNA was prepared and cloned into the pPICZ B expression vector and followed by the integration into AOX1 locus in Pichia pastoris. The supernatants from cell culture were collected after methanol induction and concentrated for the test of antimicrobial activity. The recombinant P. patoris having CecP4 showed antimicrobial activity when tested against Staphyllococcus aureus in disc diffusion assay. We selected one of the CecP4 clones (CecP4-2) and performed further studies with it. The growth of recombinant P. pastoris was optimized using various concentration of methanol, and it was found that 2% methanol in the culture induced more antibacterial activity, compared to 1% methanol. We extended the test of antimicrobial activity by applying the concentrated supernatant of CecP4 culture to Pseudomonas aeruginosa and E. coli respectively. Recombinant CecP4 also showed antimicrobial activity against both Pseudomona and E. coli, suggesting the broad spectrum of its antimicrobial activity. After improvements for the scale-up, it will be feasible to use recombinant CecP4 for supplementation to the feed to control microbial infections in young animals, such as piglets.
Objective: To generate recombinant Bacillus subtilis (B. subtilis) engineered for expression of porcine ${\beta}-defensin-2$ (pBD-2) and cecropin P1 (CP1) fusion antimicrobial peptide and investigate their anti-bacterial activity in vitro and their growth-promoting and disease resisting activity in vivo. Methods: The pBD-2 and CP1 fused gene was synthesized using the main codons of B. subtilis and inserted into plasmid pMK4 vector to construct their expression vector. The fusion peptide-expressing B. subtilis was constructed by transformation with the vector. The expressed fusion peptide was detected with Western blot. The antimicrobial activity of the expressed fusion peptide and the recovered pBD-2 and CP1 by enterokinase digestion in vitro was analyzed by the bacterial growth-inhibitory activity assay. To analyze the engineered B. subtilis on growth promotion and disease resistance, the weaned piglets were fed with basic diet supplemented with the recombinant B. subtilis. Then the piglets were challenged by enteropathogenic Escherichia coli (E. coli). The weight gain and diarrhea incidence of piglets were measured after challenge. Results: The recombinant B. subtilis engineered for expression of pBD-2/CP1 fusion peptide was successfully constructed using the main codons of the B. subtilis. Both expressed pBD-2/CP1 fusion peptide and their individual peptides recovered from parental fusion peptide by enterokinase digestion possessed the antimicrobial activities to a variety of the bacteria, including gram-negative bacteria (E. coli, Salmonella typhimurium, and Haemophilus parasuis) and grampositive bacteria (Staphylococcus aureus). Supplementing the engineered B. subtilis to the pig feed could significantly promote the piglet growth and reduced diarrhea incidence of the piglets. Conclusion: The generated B. subtilis strain can efficiently express pBD-2/CP1 fusion antimicrobial peptide, the recovered pBD-2 and CP1 peptides possess potent antimicrobial activities to a variety of bacterial species in vitro. Supplementation of the engineered B. subtilis in pig feed obviously promote piglet growth and resistance to the colibacillosis.
To isolate a novel gene for antibacterial peptide, an inducible clone(BmInc8) was selected by differential screening strategy from Bombyx mori cDNA library prepared from lavae injected with Escherichia coli. This clone contained a cDNA insert of 564 nucleotides and encoded 59 amino acids with an apparent molecular mass of 6.3 kDa. The cDNA sequence of BmInc8 had 61.2% identity compared to that of the bactericidin from Manduca sexta and also the deduced amino acids sequences from this insert had 65% identity compared to that of the cecropin D peptide Hyalophora cecropia. The transient expression assay of this insert using prokaryotic expression vector system revealed that the expressed peptide displayed the antibacterial activity. The cDNA sequence was deposited in GenBank under the accession number U30289.
Lee, Joon Ha;Kim, In-Woo;Kim, Mi-Ae;Yun, Eun-Young;Nam, Sung-Hee;Ahn, Mi-Young;Lee, Young Bo;Hwang, Jae Sam
International Journal of Industrial Entomology and Biomaterials
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v.31
no.1
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pp.14-19
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2015
In a previous report, we identified several candidate antimicrobial peptides through de novo RNA sequencing of the centipede Scolopendra subspinipes mutilans. Here, we identify and characterize one of these peptides, Scolopendrasin I. We identified the centipede antimicrobial peptide Cecropin from the centipede transcriptome using an SVM algorithm, and subsequently analyzed the amino acid sequence for predicted secondary structure using a GOR algorithm. We identified an alpha helical region of Cecropin and named it Scolopendrasin I. We then assessed antimicrobial and hemolytic activity of Scolopendrasin I. Scolopendrasin I showed antimicrobial activity against various microbes, including antibiotic-resistant Gram-negative bacteria, in a radial diffusion assay. Scolopendrasin I had potent antibacterial activity against acne-associated microbes in a colony count assay and showed no hemolytic activity in a hemolysis assay. In addition, we confirmed that Scolopendrasin I bound to the surface of bacteria via a specific interaction with lipoteichoic acid and lipopolysaccharide, two components of bacterial cell membranes. In conclusion, the results presented here provide evidence that this is an efficient strategy for antimicrobial peptide candidate identification and that Scolopendrasin I has potential for successful antibiotic development.
CA(1-8)-ME(1-12) [CA-ME], composed of cecropin A(1-8) and melittin(1-12), is a synthetic antimicrobial peptide having potent antibacterial and antitumor activities with minimal hemolytic activity. In order to investigate the effects of the flexible hinge sequence, Gly-Ile-Gly, of CA-ME on antibiotic activity, CA-ME and three analogues, CA-ME1, CA-ME2, and CA-ME3, were synthesized. The Gly-Ile-Gly sequence of Ca-ME was deleted in CA-ME1 and replaced with Pro and Gly-Pro-Gly in CA-ME2 and CA-ME3, respectively. CA-ME1 and CA-ME3 showed a significant decrease in antitumor activity and phospholipid vesicle-disrupting ability. However, CA-ME2 showed similar antitumor and vesicle-disrupting activities, as compared with CA-ME. These results suggest that the flexibility or ${\beta}$-turn induced by Gly-Ile-Gly or Pro in the central part of CA-ME may be important in the electrostatic interaction of the N-terminus cationic ${\alpha}$-helical region with the cell membrane surface and the hydrophobic interaction of the C-terminus amphipathic ${\alpha}$-helical region with the hydrophobic acyl chains in the cell membrane. CA-ME3 exhibited lower antitumor and vesicle-disrupting activities than CA-ME and CA-ME2. This result suggests that the excessive ${\beta}$-turn structure caused by the Gly-Pro-Gly sequence in CA-ME3 seems to interrupt ion channel/pore formation in the lipid bilayer. We concluded that the appropriate flexibility or bilayer. We concluded that the appropriate flexibility or ${\beta}$-turn structure provided by the central hinge is responsible for the effective antibiotic activity of the antimicrobial peptides with the helix-hinge-helix structure.
A synthetic cecropin A(1-13)-melittin(1-13) [CA-ME] hybrid peptide was known to be an antimicrobial peptide having strong antibacterial, antifungal and antitumor activity with minimal cytotoxic effect against human erythrocyte. Analogues were synthesized to investigate the influences of the flexible hinge region of CA-ME on the antibiotic activity. Antibiotic activity of the peptides was measured by the growth inhibition against bac-terial, fungal and tumor cells and vesicle-aggregating or disrupting activity. The deletion of Gln-Gly-Ile (P1) or Gly-Gln-Gly-Ile-Gly (P3) from CA-ME brought about a significant decrease on the antibiotic activities. In contrast, Gly-Ile-Gly deletion (P2) from CA-ME or Pro insertion (P5) instead of Gly-Gln-Gly-Ile-Gly of CA-ME retained antibiotic activity. This result indicated that the flexible hinge or β-bend structure provided by Gly-Gln-Gly-Ile-Gly, Gln-Gly, or Pro in the central region of the peptides is requisite for its effective antibiotic activity and may facilitate easily the hydrophobic C-terminal region of the peptide to penetrate the lipid bilayers of the target cell membrane. In contrast, P4 and P6 with Gly-Gln-Gly-Pro-Gly or Gly-Gln-Pro in the central region of the peptide caused a drastic reduction on the antibiotic activities. This result suggested that the con-secutive β-bend structure provided by Gly-Gln-Gly-Pro-Gly or Gly-Gln-Pro in the central hinge region of the peptide seems to interrupt the ion channel/pore formation on the target cell membranes.
The rapid spread of superbugs leads to the escalation of infectious diseases, which threatens public health. Endolysins derived from bacteriophages are spotlighted as promising alternative antibiotics against multi-drug resistant bacteria. In this study, we isolated and characterized the novel Salmonella typhimurium phage PBST08. Bioinformatics analysis of the PBST08 genome revealed putative endolysin ST01 with a lysozyme-like domain. Since the lytic activity of the purified ST01 was minor, probably owing to the outer membrane, which blocks accessibility to peptidoglycan, antimicrobial peptide cecropin A (CecA) was fused to the N-terminus of ST01 to disrupt the outer membrane. The resulting CecA::ST01 has been shown to have increased bactericidal activity against gram-negative pathogens including Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Escherichia coli, and Enterobacter cloacae and the most affected target was A. baumannii. In the presence of 0.25 µM CecA::ST01, A. baumannii ATCC 17978 strain was completely killed and CCARM 12026 strain was wiped out by 0.5 µM CecA::ST01, which is a clinical isolate of A. baumannii and resistant to multiple drugs including carbapenem. Moreover, the larvae of Galleria mellonella could be rescued up to 58% or 49% by the administration of CecA::ST01 upon infection by A. baumannii 17978 or CCARM 12026 strain. Finally, the antibacterial activity of CecA::ST01 was verified using 31 strains of five gram-negative pathogens by evaluation of minimal inhibitory concentration. Thus, the results indicate that a fusion of antimicrobial peptide to endolysin can enhance antibacterial activity and the spectrum of endolysin where multi-drug resistant gram-negative pathogens can be efficiently controlled.
In order to obtain a hybrid synthetic peptide with a more potent antifungal activity than magainin-2 but without hemolytic activity, four hybrid peptides were designed from the sequences of magainin 2 and cecropin A and their antifungal activities against Trichosporon beigelii were investigated. The result showed that analogue 2 and 4 exhibited better antifungal activity against T. beigelii than magainin-2 but no hemolytic activities. The peptides, therefore, could be used as models for the development of potent antifungal peptides.
In a previous study, we showed that Cecropin A (1-8)-Magainin 2 (1-12) hybrid peptide (CA-MA)'s analogue, Anal P5, exhibit broad-spectrum antimicrobial activity. Anal P5, designed by flexible region (positions 9, 10)-substitution, Lys- (positions 4, 8, 14, 15) and Leu- (positions 5, 6, 12, 13, 16, 17, 20) substitutions, showed an enhanced antimicrobial and antitumor activity without hemolysis. The primary objective of the present study was to gain insight into the relevant mechanisms of antimicrobial activities of Anal P5 by using flow cytometric analysis. Anal P5 exhibits strong antifungal activity in a salt concentration independent manner. In addition, Anal P5 causes significant morphological alterations of the bacterial surfaces as shown by scanning electron microscopy, supporting its antibacterial activity. Its potent antibiotic activity suggests that Anal P5 is an excellent candidate as a lead compound for the development of novel antibiotic agents.
Melittin (ME) from honeybee venom has a broad range of strong antimicrobial activity, but it has hemolytic activity against eukaryotic cells. In order to design peptides with powerful antifungal activity without cytotoxic property of ME and understand structure-antifungal activity relationships, the hybrid peptides derived from the sequences of ME and cecropin A (CA) or magainin 2 (MA), MA(10-17)ME(1-12) and CA(1-8)ME(1-12). were synthesized by solid phase method. MA(10-17)ME(1-12) showed potent antifungal activity comparable to ME against Fusarium oxysporum with no hemolytic activity against human red blood cells. The hybrid peptides showed strong inhibi- tion of (1, 3)-$\beta$-D-glucan synthase. This result indicates that the antifungal activity of the hybrid peptides against Fusarium oxysporum is attributed to the inhibition of cell wall synthesis. The results therefore showed a successful design of a peptide having antifungal activity without hemolytic property.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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