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Optimized strategies for designing antimicrobial peptides targeting multidrug-resistant Gram-negative bacteria - 20/07/25

Doi : 10.1016/j.biopha.2025.118264 
Lingling Liu a, c, 1, Xiaoming Cui d, 1, Huan Zhang a, Jiahui Yao a, c, Lili Li b, c, , Yun Cai a,
a Center of Medicine Clinical Research, Department of Pharmacy, Medical Supplies Center, PLA General Hospital, Beijing 100853, China 
b School of Material Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China 
c CAS Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety, National Center for Nanoscience and Technology (NCNST), Beijing 100190, China 
d Department of Health Medicine, the Third Medical Centre, PLA General Hospital, Beijing 100039, China 

Correspondence to: School of Material Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, No. 5, Zhongguancun South Street, Beijing 100081, China. School of Material Science and Engineering, Beijing Institute of Technology No. 5, Zhongguancun South Street Beijing 100081 China ⁎⁎ Correspondence to: Center of Medicine Clinical Research, Department of Pharmacy, Medical Supplies Center, PLA General Hospital, 28 Fu Xing Road, Beijing 100853, China. Center of Medicine Clinical Research, Department of Pharmacy, Medical Supplies Center, PLA General Hospital 28 Fu Xing Road Beijing 100853 China

Abstract

Considering the escalating challenge posed by antimicrobial resistance among Gram-negative bacteria, there is an urgent and critical imperative to explore and develop novel candidates for antimicrobial peptides (AMPs). The present study employed two strategies, lipid modification and amino acid substitution, to design a series of antimicrobial peptides (AMPs) based on the peptide WRK (WRLRWKTRWRLK). Among them, a peptide named FWK was identified to exhibit self-assembly behavior, forming nanoparticles of approximately 38 nm in size, ultimately leading to membrane destruction. Peptide FWK demonstrated rapid bactericidal activity against a multidrug-resistant (MDR) strain of Klebsiella pneumoniae within 30 min and maintained its efficacy for 36 h in vitro . In a mouse model of acute abdominal infection, peptide FWK demonstrated remarkable safety and potent antibacterial activity. A comparative analysis of various peptide modification strategies indicated that, in terms of antimicrobial activity, the positive charge and amphiphilicity of the peptide were more critical parameters than hydrophobicity. The substitution of amino acids offered a more versatile strategy for modification compared to lipid modification, thereby reducing the risk of introducing hemolytic toxicity. The antibacterial activity of the peptides was influenced by the type, quantity, and placement of substituted amino acids. The antibacterial activity can be enhanced by appropriately increasing the number of lysine and arginine residues. The biocompatibility of lysine was superior to that of arginine. The findings of this study offer valuable insights for the development of antimicrobial peptides (AMPs) that exhibit high efficacy and low toxicity, specifically targeting the effective management of infections caused by multidrug-resistant Gram-negative bacteria.

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Graphical Abstract




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Highlights

Self-assembled peptide FWK kills multidrug-resistant Gram-negative bacteria by disrupting bacterial membrane permeability.
Positive charge and amphiphilicity are critical determinants of antimicrobial activity.
Long carbon chain modification increases the hemolytic toxicity risks.
Amino acid substitution strategies offer greater flexibility, safety, and efficacy.
Increasing the number of lysine and arginine enhances antibacterial activity.

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Keywords : Antimicrobial peptide, Self-assembly, Gram-negative bacteria, Drug-resistance, Antimicrobial mechanism


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