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Investigating the influence of lipid ion pairing on daptomycin activity in model staphylococcal membranes
Nina Happenhofer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Pharmazie
Betreuer*in
Lea Ann Dailey
Mitbetreuer*in
Richard Harvey
DOI
10.25365/thesis.81532
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27730.43818.660599-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Infektionen durch Staphylococcus aureus stellen weiterhin ein bedeutendes globales Gesundheitsproblem dar, insbesondere aufgrund der zunehmenden Verbreitung multiresistenter Stämme, die die Wirksamkeit standardmäßiger Antibiotikatherapien beeinträchtigen. Unter den Reserveantibiotika spielt Daptomycin eine zentrale Rolle bei der Behandlung schwerer Infektionen durch Gram-positive Bakterien. Die antibakterielle Aktivität beruht auf einer calciumvermittelten Bindung an negativ geladene Lipide, vor allem Phosphatidylglycerol (PG). Allerdings wird Daptomycin-Resistenz zunehmend mit Veränderung der Lipidzusammensetzung der Membran in Verbindung gebracht, insbesondere mit der durch das MprF-Protein vermittelten Umwandlung von PG zu Lysyl-phosphatidylglycerol (LPG), wodurch die Oberflächenladung reduziert und die Bindung des Antibiotikums beeinträchtigt wird. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von LPG auf die calciumabhängigen Wechselwirkungen zwischen Daptomycin und Membranen systematisch unter Verwendung liposomaler Modellsysteme mit definierter Lipidzusammensetzung untersucht. Zur Gewährleistung reproduzierbarer Bedingungen wurden chemisch stabile LPG-Analoga eingesetzt, die eine kontrollierte Variation des Anteils lysierter Lipide ermöglichten. Die Experimente wurden über verschiedene Calciumkonzentrationen hinweg sowie unter neutralen und leicht sauren pH-Bedingungen durchgeführt. Die Bindung von Daptomycin wurde mittels Fluoreszenzspektroskopie unter Ausnutzung seines intrinsischen Kynurenin-(Kyn)-Restes untersucht, wodurch eine sensitive Detektion der Membranassoziation möglich war. Die Bindung war strikt von der Anwesenheit von PG abhängig, was dessen essenzielle Rolle bei der Vermittlung der Daptomycin-Membran-Interaktion bestätigt. Das Vorhandensein lysylierter Lipide führte nicht zum vollständigen Verlust der Bindung, bewirkte jedoch eine deutliche Verschiebung des Bindungsgleichgewichts hin zu höheren Ca2+-Konzentrationen sowie eine verringerte Bindungseffizienz bei niedrigen Calciumkonzentrationen. Diese Beobachtungen sind konsistent mit einer teilweisen Ladungsneutralisierung von PG durch reversible Wechselwirkungen mit lysierten Lipiden, wodurch die Verfügbarkeit negativ geladener Bindungsstellen eingeschränkt wird. Zusätzlich zeigten Zetapotentialmessungen eine generelle Abschwächung der Membranoberflächenladung nach Zugabe von Calciumionen über alle untersuchten Lipidzusammensetzungen hinweg, was auf eine Modulation der Membran-Elektrostatik hinweist. Darüber hinaus wurde die Bindung durch den pH-Wert beeinflusst, wobei unter leicht sauren Bedingungen eine reduzierte Interaktion beobachtet wurde. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass LPG die Wechselwirkungen zwischen Daptomycin und Membranen nicht verhindert, sondern durch Veränderungen der Membranladung und der Calciumabhängigkeit moduliert. Die vorliegenden Daten unterstützen ein Modell, in dem LPG in quantitativer Weise zur Resistenz beiträgt, jedoch wahrscheinlich nicht als alleiniger bestimmender Faktor für die Daptomycin-Resistenz bei Staphylococcus aureus angesehen werden kann.
Abstract
(Englisch)
Infections caused by Staphylococcus aureus remain a major global health concern, particularly due to the increasing prevalence of multidrug-resistant strains that compromise the effectiveness of standard antibiotic therapies. Among last-resort antibiotics, daptomycin plays a crucial role in the treatment of severe Gram-positive infections. Its antibacterial activity depends on calcium-mediated binding to negatively charged lipids, primarily phosphatidylglycerol (PG). However, resistance to daptomycin has increasingly been associated with alterations in membrane lipid composition, especially the conversion of PG to lysyl-phosphatidylglycerol (LPG) mediated by the MprF protein, which dampens membrane charge and is thought to impair drug binding. In this study, the influence of LPG on calcium-dependent daptomycin-membrane interactions was systematically investigated using liposomal model membranes with defined lipid compositions. To ensure reproducibility, chemically stable LPG analogues were used, allowing controlled variation of lysylated lipid content. Experiments were conducted across different calcium concentrations and under both neutral and mildly acidic pH conditions. Daptomycin binding was assessed via fluorescence spectroscopy based on its intrinsic kynurenine (Kyn) residue, enabling sensitive detection of membrane association. Binding was strictly dependent on the presence of PG, confirming its essential role in mediating daptomycin-membrane interactions. Incorporation of lysylated lipids did not abolish binding but resulted in a pronounced shift of the binding equilibrium towards higher Ca2+ concentrations and reduced binding efficiency at low calcium levels. These findings are consistent with partial charge neutralization of PG through reversible interactions with lysylated lipids, which limit the availability of negatively charged binding sites. In addition, zeta potential measurements revealed a general dampening of membrane surface charge upon addition of calcium ions across all lipid compositions, indicating a modulation of membrane electrostatics. Binding was further influenced by pH, with reduced interaction observed under mildly acidic conditions. Overall, the results demonstrate that LPG modulates, rather than prevents, daptomycin-membrane interactions by altering membrane charge properties and shifting calcium requirements. These findings support a model in which LPG contributes to resistance in a quantitative manner and is unlikely to represent the sole determinant of daptomycin resistance in Staphylococcus aureus.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Daptomycin Antibiotikaresistenz Staphylococcus aureus Lysyl-Phosphatidylglycerin
Schlagwörter
(Englisch)
antibiotic resistance lysyl-phosphatidylglycerol
Autor*innen
Nina Happenhofer 
Haupttitel (Englisch)
Investigating the influence of lipid ion pairing on daptomycin activity in model staphylococcal membranes
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
44 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Lea Ann Dailey
Klassifikationen
44 Medizin > 44.38 Pharmakologie ,
44 Medizin > 44.40 Pharmazie. Pharmazeutika
AC Nummer
AC17929049
Utheses ID
81327
Studienkennzahl
UA | 066 | 605 | |