Physical mechanisms of bacterial survival revealed by combined grazing-incidence X-ray scattering and Monte Carlo simulation

The combination of grazing-incidence X-ray scattering experiments and Monte Carlo simulation unravels the physics of bacterial survival against cationic antimicrobial peptides (protamine). As a realistic model of bacterial outer membranes, an insoluble monolayer of lipopolysaccharide from Salmonella enterica sv. Minnesota Ra (LPS Ra) is spread on buffered subphase. In the presence of Ca2+, vertical electron density profiles reconstructed from X-ray scattering imply the “collapse” of saccharide chains, suggesting that Ca2+ bridges the negatively charged saccharide units. Under this condition, the LPS monolayer remains intact even after injection of protamine near the minimum inhibitory concentration. This can theoretically be accounted in terms of the formation of an electrostatic energy barrier that prevents the approach of protamine to the hydrophobic region. In contrast, as predicted from in vivo experiments, the intrusion of protamine in the absence of Ca2+ results in the complete destruction of the layered structure of LPS Ra monolayers.

RésuméLa combinaison de la diffraction des rayons X en incidence rasante et des simulations Monte Carlo permet de dévoiler la physique de la survie bactérienne en présence de peptides antimicrobiens cationiques (protamine). Un modèle réaliste de la membrane externe des bactéries, une monocouche insoluble de lipo-polysaccharides de Salmonella enterica sv. Minnesota Ra (LPS Ra), est étalée à la surface d'une solution aqueuse. En présence d'ions Ca2+, les profils de densité électronique, reconstruits par diffraction des rayons X, montrent l'effondrement des chaînes de saccharide et suggérent que les ions Ca2+ pontent les unités de saccharide chargées négativement. Dans ces conditions, la monocouche de LPS reste intacte même après injection de protamine à une concentration proche de la concentration critique d'inhibition. En revanche, comme cela est prédit par des expériences in vivo, l'intrusion de protamine en l'absence de Ca2+ entraîne la destruction complète de la structure stratifiée des monocouches de LPS Ra.