Melittin Interactions with Model Membranes : A Molecular Dynamics Study

Abstract

Antimicrobial peptides are of interest as potential alternatives to conventional antibiotics. One ex-
ample is melittin, a cationic and amphipathic peptide with strong interactions with lipid membranes.
This project studies the structure and behavior of melittin in bulk solution and at lipid membranes of
different charges using atomistic molecular dynamics simulations and an explicit water model. Neu-
tral POPC and anionic POPC:POPS were used to model membrane systems to study how membrane
charge influences peptide-membrane interactions. Small-angle X-ray scattering (SAXS) measurements
were performed on melittin in solution. The simulations show that melittin remains flexible and disor-
dered in bulk solution and does not have a stable folded structure. When introducing a lipid membrane,
the peptide quickly associates with it and stays associated throughout the simulations. Membrane
charge primarily affects the extent of the association; in anionic POPC:POPS membrane there is a
stronger electrostatic interaction which brings melittin closer to the membrane with increased sur-
face binding and compaction compared to neutral POPC bilayer. SAXS measurements on melittin
in solution show how the peptide stays flexible and does not undergo any major compaction. The
results in this project highlight the effect of electrostatic interactions in peptide-membrane association
and shows that melittin primarily interacts with membranes through dynamic association with the
membrane surface.

Popular Abstract (Swedish)

Människokroppen utsätts ständigt för mikroorganismer som kan orsaka sjukdom. Kroppen har ett immunförsvar som till stor del bygger på små molekyler och kemiska processer för att skydda oss. Antimikrobiella peptider är en viktig del av detta försvar och är små proteiner som kan angripa och oskadliggöra dessa mikroorganismer.
Antibiotika har länge varit viktiga för att behandla bakteriella infektioner, men i dag fungerar många av dessa läkemedel sämre eftersom bakterier kan bli motståndskraftiga. Därför behövs ny kunskap om kroppens egna försvarsmekanismer och hur de kan inspirera framtida behandlingar.

I detta projekt har en sådan peptid studerats: melittin, som finns naturligt i bigift. Melittin tillhör en grupp proteiner som kallas intrinsiskt oordnade proteiner, vilket innebär att de inte har någon tydlig eller stabil tredimensionell struktur utan är mycket flexibla och kan anta många olika former. Melittin är känt för att kunna påverka cellmembran, alltså det skyddande lager som omger alla celler. Genom att studera hur melittin beter sig kan man få viktig kunskap om hur antimikrobiella peptider fungerar och hur de eventuellt kan användas i framtida läkemedel.
Syftet med arbetet var att undersöka hur melittin ser ut och beter sig i vatten, samt hur det interagerar med cellmembran med olika elektrisk laddning. Det är även relevant att jämföra membran med olika laddning då membranens elektriska laddning kan påverka hur peptider beter sig.
Projektet genomfördes främst med hjälp av datorsimuleringar, där man kan följa hur melittin rör sig på atomnivå över tid. På så sätt går det att observera processer som är svåra att observera direkt i experiment. För att komplettera simuleringarna användes även en experimentell metod kallad småvinkelröntgenspridning (SAXS), som ger information om peptidens form och flexibilitet i lösning.
Resultaten visar att melittin är mycket flexibel i vatten och inte har någon fast form. När ett cellmembran introduceras binder melittin snabbt till membranets yta och stannar där. Däremot tränger peptiden inte djupt in i membranet under den tid som studerats. Membranets laddning visade sig vara viktig: melittin binder starkare till negativt laddade membran, där det kommer närmare ytan och blir något mer kompakt. Detta beror på att positiva och negativa laddningar attraherar varandra.

Experimenten i lösning bekräftade bilden från simuleringarna: melittin förblir flexibel och genomgår ingen större förändring i form. Sammantaget visar resultaten från detta projekt att melittin interagerar med cellmembran främst genom en rörlig och ytlig kontakt, snarare än genom att borra sig igenom membranet.
Projektet bidrar till en ökad förståelse för hur antimikrobiella peptider fungerar på molekylär nivå. Denna kunskap är viktig för framtida forskning och kan på sikt hjälpa till i utvecklingen av nya behandlingar mot infektioner i en tid då antibiotikaresistens är ett allt större globalt problem.

• author: Rasul, Honia
• supervisor: Oskar Svensson
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMP30 20252
• year: 2026
• type: L3 - Miscellaneous, Projetcs etc.
• subject: Chemistry
• keywords: Molecular dynamics, IDP, AMP, Chemistry, Computational chemistry, Theoretical chemistry
• language: English
• id: 9221406
• date added to LUP: 2026-01-29 14:22:21
• date last changed: 2026-01-29 14:22:21