Interactions of biocidal guanidine hydrochloride polymer analogs with model membranes: a comparative biophysical study

Abstract

Four synthesized biocidal guanidine hydrochloride polymers with different alkyl chain length, including polyhexamethylene guanidine hydrochloride and its three new analogs, were used to investigate their interactions with phospholipids vesicles mimicking bacterial membrane. Characterization was conducted by using fluorescence dye leakage, isothermal titration calorimetry, and differential scanning calorimetry. The results showed that the gradually lengthened alkyl chain of the polymer increased the biocidal activity, accompanied with the increased dye leakage rate and the increased binding constant and energy change value of polymer -membrane interaction. The polymer -membrane interaction induced the change of pretransition and main phase transition (decreased temperature and increased width) of phospholipids vesicles, suggesting the conformational change in the phospholipids headgroups and disordering in the hydrophobic regions of lipid membranes. The above information revealed that the membrane disruption actions of guanidine hydrochloride polymers are the results of the polymer's strong binding to the phospholipids membrane and the subsequent perturbations of the polar headgroups and hydrophobic core region of the phospholipids membrane. The alkyl chain structure significantly affects the binding constant and energy change value of the polymer -membrane interactions and the perturbation extent of the phospholipids membrane, which lead to the different biocidal activity of the polymer analogs. This work provides important information about the membrane disruption action mechanism of biocidal guanidine hydrochloride polymers.

Тhe mass-spectrometry studies of the interaction of polyhexamethyleneguanidine with lipids

“…На нашу думку, в механізмах антимікробної дії ПГМГ провідне місце належить фактору специфічної взаємодії молекул полімеру з фосфоліпідами мембрани, що в подальшому спричинює зміну властивостей і функцій останньої. Саме руйну-вання мембрани є основою біоцидної дії препа-рату, про що свідчать і результати деяких інших досліджень [7]. Оскільки адсорбція ПГМГ на ліпідний бішар або на ЦПМ клітини носить необоротний характер [8], то логічно припу-стити, що полікатіон може утворювати міцні міжмолекулярні комплекси з мембранними ліпідами.…”

“…Внутрішнє напруження, що виникає в молекулі ПГМГ після адсорбції, спричинює зміни конформації та проникнен-ня полікатіона всередину ліпідного бішару. Відомо, що реакція зв'язування ПГМГ із фосфоліпідними голівками екзотермічна, а проникнення полікатіона в гідрофобну части-ну ліпідного бішару процес ендотермічний [7]. Для порівняння, такі полікатіони як полілізини [15] або полі-N-eтил-4-вінілпіридиній бромід [14,17] можуть міцно адсорбуватися лише на мембранах, що містять кислі фосфоліпіди.…”

“…Для порівняння, такі полікатіони як полілізини [15] або полі-N-eтил-4-вінілпіридиній бромід [14,17] можуть міцно адсорбуватися лише на мембранах, що містять кислі фосфоліпіди. а для поліалкіленгуанідинів, у тому числі й ПГМГ, зміна довжини алкільної ділянки мономера при-зводить до погіршення адсорбції та зменшення бактерицидної активності [1,3,7,16].…”

Usage of Fumarate by Sulphate-Reducing Bacteria Desulfomicrobium sp. CrR3 and Desulfotomaculum sp.

“…На нашу думку, найбільш важливою складовою комплексної дії полімерних похідних гуанідину на клітину є їх взаємодія з цитоплазматичною мембраною (ЦПМ), зокрема з фосфоліпідами. А основою біоцидної дії препарату насампе ред є деструкція ЦПМ клітини [12,15,16].…”

“…Крім електростатичних взаємодій на процес адсорбції також впливає певна просторова «компліментарності» полікатіона з фосфоліпідними голівками в щільно упакованому ліпідному бішарі ЦМП. Ця компліментарність обумовлена розмірами мономеру ПГМГ, якщо змінювати довжину його алкільної ділянки в більший чи менший бік, то активність зазвичай падає [1,12,16]. Також вона залежить від жирнокислотного складу ліпідів і, відповідно, відстаней між сусідніми молекулами ліпідів.…”