Frogs such as Rana temporaria and Litoria aurea secrete numerous closely related antimicrobial peptides (AMPs) as an effective chemical dermal defence. Despite the high similarity in physical properties and preference for adopting secondary amphipathic, α-helix conformations in membrane mimicking milieu, their spectrum of activity and potency often varies considerably. Damage or penetration of the bacterial plasma membrane is considered essential for AMP activity and hence distinguishing apparently similar AMPs according to their behaviour in, and effects on, model membranes will inform understanding of species specific effective antimicrobial mechanisms. Here we use a combination of molecular dynamics simulations, circular dichroism and patch-clamp to investigate the basis for differing anti-bacterial activities in representative AMPs from each species; temporin L and aurein 2.5. Despite adopting near identical, α-helix conformations in the steady-state in a variety of membrane models, these two AMPs can be distinguished both in vitro and in silico based on their dynamic interactions with model membranes; the greater conformational flexibility and the higher amplitude channel conductance induced offers a rationale for the greater potency and broader spectrum of activity of temporin L over aurein 2.5. Specific contributions from individual residues are identified that define the mechanisms of action of each AMP. Our findings suggest AMPs in frogs are examples of parallel evolution whose utility is based on apparently similar but subtly distinct mechanisms of action.

Antimicrobial peptides (AMPs) are a potential source of new molecules to counter the increase in antimicrobial resistant infections but a better understanding of their properties is required to understand their native function and for effective translation as therapeutics. Details of the mechanism of their interaction with the bacterial plasma membrane are desired since damage or penetration of this structure is considered essential for AMP activity. Relatively modest modifications to AMP primary sequence can induce substantial changes in potency and/or spectrum of activity but, hitherto, have not been predicted to substantially alter the mechanism of interaction with the bacterial plasma membrane. Here we use a combination of molecular dynamics simulations, circular dichroism, solid-state NMR and patch clamp to investigate the extent to which temporin B and its analogues can be distinguished both in vitro and in silico on the basis of their interactions with model membranes. Enhancing the hydrophobicity of the N-terminus and cationicity of the C-terminus in temporin B improves its membrane activity and potency against both Gram-negative and Gram-positive bacteria. In contrast, enhancing the cationicity of the N-terminus abrogates its ability to trigger channel conductance and renders it ineffective against Staphylococcus aureus while nevertheless enhancing its potency against Escherichia coli. Our findings suggest even closely related AMPs may target the same bacterium with fundamentally differing mechanisms of action.

Antimicrobial resistance has increased rapidly, causing daunting morbidity and mortality rates worldwide. Antimicrobial peptides (AMPs) have emerged as promising alternatives to traditional antibiotics due to their broad range of targets and low tendency to elicit resistance. However, potent antimicrobial activity is often accompanied by excessive cytotoxicity toward host cells, leading to a halt in AMP therapeutic development. Here, we present multivariate analyses that correlate 28 peptide properties to the activity and toxicity of 46 diverse African-derived AMPs and identify the negative lipophilicity of polar residues as an essential physiochemical property for selective antimicrobial activity. Twenty-seven active AMPs are identified, of which the majority are of scorpion or frog origin. Of these, thirteen are novel with no previously reported activities. Principal component analysis and quantitative structure–activity relationships (QSAR) reveal that overall hydrophobicity, lipophilicity, and residue side chain surface area affect the antimicrobial and cytotoxic activity of an AMP. This has been well documented previously, but the present QSAR analysis additionally reveals that a decrease in the lipophilicity, contributed by those amino acids classified as polar, confers selectivity for a peptide to pathogen over mammalian cells. Furthermore, an increase in overall peptide charge aids selectivity toward Gram-negative bacteria and fungi, while selectivity toward Gram-positive bacteria is obtained through an increased number of small lipophilic residues. Finally, a conservative increase in peptide size in terms of sequence length and molecular weight also contributes to improved activity without affecting toxicity. Our findings suggest a novel approach for the rational design or modification of existing AMPs to increase pathogen selectivity and enhance therapeutic potential.

ABSTRACT The pharmacodynamic profile of antimicrobial peptides (AMPs) and their in vivo synergy are two factors that are thought to restrict resistance evolution and ensure their conservation. The frog Rana temporaria secretes a family of closely related AMPs, temporins A-L, as an effective chemical dermal defence. The antibacterial potency of temporin L has been shown to increase synergistically in combination with both temporins B and A but this is modest. Here we show that the less potent temporin B enhances the cooperativity of the in vitro antibacterial activity of the more potent temporin L against EMRSA-15 and that this may be associated with an altered interaction with the bacterial plasma membrane, a feature critical for the antibacterial activity of most AMPs. Addition of buforin II, a histone H2A fragment, can further increase the cooperativity. Molecular dynamics simulations indicate temporins B and L readily form hetero-oligomers in models of Gram-positive bacterial plasma membranes. Patch-clamp studies show transmembrane ion conductance is triggered with lower amounts of both peptides and more quickly, when used in combination, but conductance is of a lower amplitude and pores are smaller. Temporin B may therefore act by forming temporin L/B hetero-oligomers that are more effective than temporin L homo-oligomers at bacterial killing and/or by reducing the probability of the latter forming until a threshold concentration is reached. Exploration of the mechanism of synergy between AMPs isolated from the same organism may therefore yield antibiotic combinations with advantageous pharmacodynamic properties.