The production, design and application of antimicrobial peptides

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Chemical Engineering, 2007.Includes bibliographical references (p. 248-268).With the spread of drug-resistant bacteria, existing antibiotics are losing their potency. Antimicrobial peptides (AmPs) represent an exciting class of drug candidates, particularly because their mechanism of action is unlikely to induce drug resistance. If resistance to AmPs were also slower to emerge in the clinic, they would have longer useful lifetimes than existing antibiotics. Nevertheless, a number of limitations exist for AmPs in the clinic. The high cost of peptide manufacture requires that highly potent sequences are created. Additionally, AmP selectivity must be improved if effective systemic doses are to be given without hemolytic activity or other toxicity. Improved high-throughput methods for AmP design or discovery could enable the achievement of both of these goals. To this end, we developed an approach based on the discovery of semi-conserved motifs across natural AmPs, which we demonstrated are associated with antimicrobial activity. Additionally, we created novel AmP formulations that may bypass some of these clinical limitations. In order to evaluate AmP design approaches, a high-throughput production and assay platform was created using in vitro translation. This technology may produce peptides that would be toxic to recombinant hosts and synthesize peptides of arbitrary length.(cont.) The cost per peptide was minimized through a series of process improvements. First, we created methods to construct oligonucleotides that mimicked our motif-based design of AmPs. This approach allowed the reuse of primers for many peptides, reducing cost and enabling the study of pattern synergy. Additionally, we found peptide translation was enhanced by co-translating a fusion partner in frame with the AmP. The AmP could be freed from the fusion partner after translation using enterokinase digestion. Further, we increased yield 3-fold by optimizing the length of fusion partner. The partner was made as short as possible to limit the translational resources required to synthesize the fusion partner, while being long enough to ensure stability from proteases. The solubility of the fusion partner-AmP construct was also improved through the selection of a highly soluble partner of the optimal length. Finally, we developed a purification scheme to ensure that the in vitro translation extract would not impact measurement of antimicrobial activity. We also developed and evaluated the design of AmPs using semi-conserved motifs. We used a database of over 500 natural AmPs as a training set for pattern discovery.(cont.) The resulting motifs were exhaustively recombined to create all 20 amino acid sequences that were entirely covered by these patterns. These sequences were clustered, and 42 diverse members selected for characterization using representative Gram negative and Gram positive bacteria. Approximately 50% of the designed AmPs were active against at least one of the bacteria at 256 ug/ml. Control peptides were created in which the amino acids in the designed peptides were rearranged such that they were not homologous to any antimicrobial motifs. Thus, these controls had the same bulk physiochemical properties frequently associated with antimicrobial activity as the designed sequences, but we hypothesized they would not be active because they did not match the antimicrobial motifs. In fact, only 5% of the control sequences had activity at 256 ug/ml, indicating that the antimicrobial motifs give a 10-fold enrichment in activity. Further, two highly active designed peptides had MICs of 16 ug/ml against Bacillus cereus and 64 ug/ml against Escherichia coli. Additionally, AmPs active against B. cereus were all active against the hospital pathogen Staphylococcus aureus, and the bioterror agent, Bacillus anthracis.(cont.) Our motif-based design may be most effective as the first stage of a two-stage design tool. In the first stage, highly diverse leads with novel profiles are created and evaluated. Promising leads could then be optimized using a variety of techniques. By creating just 44 variants of one lead, we designed an AmP with broad spectrum activity that had MICs of 16 ug/ml against E. coli and 8 ug/ml against B. cereus and 4 ug/ml against S. aureus. Another approach to build on our design tool would be to incorporate activity and toxicity characteristics of members of the training set into the design or scoring of new sequences. In order to begin assembling this data using a standardized method, a representative set of 100 natural, linear AmPs was chosen through clustering. Their antimicrobial activity against E. coli, S. epidermidis, and S. aureus were evaluated, along with hemolytic activity. When further supplemented, this information may enable an improved scoring metric to be created. Additionally, we systematically demonstrated that amidating the c-terminus of natural AmPs improves both antimicrobial activity and therapeutic index. Finally, we recognized that AmP's mechanism of action would allow activity to be retained when they are permanently tethered to medical device surfaces.(cont.) Unlike existing coatings which rely on the slow release of silver or other antibiotics, a permanently tethered approach could have a longer lifetime and reduced systemic toxicity concerns. A versatile chemistry was developed to create immobilized AmP coatings. These formulations had broad spectrum antimicrobial activity without significant hemolytic activity. Further, the coatings were effective through multiple bacterial challenges. The combination of the AmP design tool along with localized formulations represent a significant advance in the process of moving AmPs to the clinic to combat drug-resistant infections.by Christopher Loose.Ph.D

Approaches to treat sensorineural hearing loss by hair-cell regeneration: The current state of therapeutic developments and their potential impact on audiological clinical practice

Sensorineural hearing loss (SNHL) is typically a permanent and often progressive condition that is commonly attributed to sensory cell loss. All vertebrates except mammals can regenerate lost sensory cells. Thus, SNHL is currently only treated with hearing aids or cochlear implants. There has been extensive research to understand how regeneration occurs in nonmammals, how hair cells form during development, and what limits regeneration in maturing mammals. These studies motivated efforts to identify therapeutic interventions to regenerate hair cells as a treatment for hearing loss, with a focus on targeting supporting cells to form new sensory hair cells. The approaches include gene therapy and small molecule delivery to the inner ear. At the time of this publication, early-stage clinical trials have been conducted to test targets that have shown evidence of regenerating sensory hair cells in preclinical models. As these potential treatments move closer to a clinical reality, it will be important to understand which therapeutic option is most appropriate for a given population. It is also important to consider which audiological tests should be administered to identify hearing improvement while considering the pharmacokinetics and mechanism of a given approach. Some impacts on audiological practice could include implementing less common audiological measures as standard procedure. As devices are not capable of repairing the damaged underlying biology, hair-cell regeneration treatments could allow patients to benefit more from their devices, move from a cochlear implant candidate to a hearing aid candidate, or move a subject to not needing an assistive device. Here, we describe the background, current state, and future implications of hair-cell regeneration research

Konjunktur aktuell: Binnennachfrage treibt Aufschwung in Deutschland

Deutschland befindet sich in einem binnenwirtschaftlich getragenen Aufschwung, der auch durch verstärkte Inves-titionstätigkeit Schub erhält. Die Absatzperspektiven der Unternehmen sind gut, und die privaten Haushalte dürften ihre Konsumausgaben aufgrund der guten Beschäftigungslage ausweiten. Aus dem Ausland kommen da-gegen nur geringe Impulse. Das Bruttoinlandsprodukt dürfte im Jahr 2014 um 2,0% steigen

Konjunktur aktuell: Deutsche Konjunktur kommt langsam wieder in Schwung

Das Bruttoinlandsprodukt in Deutschland stieg im Jahr 2014 um 1,5% und wird im Jahr 2015 wohl um 1,3% zulegen. Nach einem schwachen Winterhalbjahr dürfte die deutsche Konjunktur langsam wieder in Schwung kommen, auch weil der niedrige Ölpreis für deutsche Haushalte und Unternehmen eine Kosten- entlastung bedeutet. Der Verbraucherpreisindex dürfte im Jahr 2015 um 1,1% zunehmen. Die Arbeits- losenquote wird wohl auf ihrem aktuellen Niveau von 6,4% verharren, obwohl vom flächendeckenden Min- destlohn für sich genommen negative Beschäftigungs- effekte ausgehen werden. Die wirtschaftliche Dynamik in der Welt ist seit ge- raumer Zeit heterogen: Die USA und Großbritannien befinden sich im Aufschwung, während die Produktion im Euroraum kaum mehr als stagniert. In Japan ging das Bruttoinlandsprodukt nach der Konsumsteuer- erhöhung im Frühjahr sogar zwei Quartale in Folge zurück. In China dürfte die Wachstumsdynamik im Verlauf des Jahres 2014 leicht nachgelassen haben. Brasilien und, auch politisch bedingt, Russland stehen am Rand einer Rezession. Bei den Unternehmen hat sich die Stimmung im Schnitt zuletzt etwas eingetrübt: Der Markit-Einkaufsmanager- index für die Weltwirtschaft ist zwar deutlich auf Ex- pansionsniveau, aber etwas niedriger als im Sommer. Immerhin hat der Welthandel, der seit einigen Jahren ungewöhnlich schwach expandiert, seit dem Sommer wieder stärker zugelegt, insbesondere im asiatischen Raum. Eine Trendwende lässt sich daraus aber noch nicht ableiten, schon weil die für den internationalen Handel wichtige Konjunktur im Euroraum auch im Jahr 2015 kaum in Schwung kommen dürfte; zu groß sind die strukturellen Probleme insbesondere in Italien und Frankreich. Allerdings erhält der Euroraum recht kräftige Impulse, die ein Abgleiten in eine neue Rezession unwahrscheinlich erscheinen lassen..

Konjunktur aktuell: Deutsche Konjunktur: Aufschwung setzt sich fort

Zu Beginn des Jahres 2015 ist die Weltwirtschaft etwas ins Stocken geraten: In den USA ging die Produktion wegen besonders kalter Witterung zurück, und in den meisten Schwellenländern schwächte sich die Dynamik weiter ab. Im Euroraum zieht die Konjunktur allerdings gegenwärtig deutlich an. Auch die Weltwirtschaft dürfte im Sommer wieder mehr Fahrt aufnehmen. Die Bedin-gungen dafür sind weiter recht günstig: Die Geldpolitik ist besonders in den fortgeschrittenen Volkswirtschaften expansiv ausgerichtet, und die langfristigen Zinsen sind immer noch ausgesprochen niedrig. Zudem sind die Öl-preise im zweiten Halbjahr 2014 drastisch gefallen. Alles in allem dürfte die Weltwirtschaft im Jahr 2015 mit 2,6% etwa so schnell wie im Vorjahr expandieren. In Deutschland ist die gesamtwirtschaftliche Produktion nach dem außerordentlich kräftigen Jahresendspurt 2014 zuletzt in ruhigere Fahrwasser gekommen. Zwar war die Inlandsnachfrage zu Jahresbeginn 2015 noch-mals sehr rege, kontraktive Einflüsse gingen aber vom Außenhandel aus. Für das Sommerhalbjahr deuten die Frühindikatoren wieder auf eine Beschleunigung hin. Dies ist vor allem auf eine erneut anziehende Auslands-nachfrage zurückzuführen. Aber auch im Inland wurden zuletzt wieder mehr Maschinen, Vorleistungen und Gebrauchsgüter nachgefragt. Die Zahl der Erwerbstäti-gen wird im Prognosezeitraum weiter zunehmen, aller-dings nicht mehr so stark wie im Jahr 2014. Die Verbraucherpreise werden aufgrund der in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahres stark gesunkenen Erdöl-preise im Jahr 2015 wohl nur wenig höher liegen als 2014 und danach mit 1,0% etwas stärker zunehmen

Prognose-Update: Binnennachfrage treibt Aufschwung in Deutschland

In Deutschland hat sich im Lauf des vergangenen Jahres ein binnenwirtschaftlich getriebener Aufschwung entwickelt, der gegenwärtig durch verstärkte Investitionstätigkeit zusätzlichen Schub erhält. Die Fremdfinanzierungskosten der Unternehmen sind aufgrund der sehr niedrigen Zinsen vorteilhaft, und die Absatzperspektiven sind gut: Wegen der fortgesetzten Ausweitung der Beschäftigung und recht deutlicher Lohnzuwächse ist damit zu rechnen, dass die privaten Haushalte ihren Konsum im Prognosezeitraum recht kräftig ausweiten werden. Vom außenwirtschaftlichen Umfeld kommen dagegen nur geringe Impulse. Das Bruttoinlandsprodukt dürfte sowohl im laufenden als auch im kommenden Jahr um 2,0% steigen. Für das Jahr 2014 reicht das 66%-Prognoseintervall von 1,5% bis 2,4%, für das Jahr 2015 von 0,4% bis 3,6%

Konjunktur aktuell: Konjunktur in Deutschland bleibt trotz sinkender Stimmung robust

In Deutschland sind die Konjunkturaussichten weiter recht günstig. Stimmungsindikatoren deuten zwar auf ein etwas schwächeres Jahresende hin, die Binnenkonjunktur ist aber weiter aufwärtsgerichtet. Das deutsche Bruttoinlandsprodukt dürfte im Jahr 2016 insgesamt um 1,9% zulegen. Für das Jahr 2017 wird dann mit 1,2% eine niedrigere jahresdurchschnittliche Wachstumsrate erwartet. Maßgeblich dafür sind vor allem schwächere Exporte und stärkere Importe. Die Arbeitslosigkeit dürfte im Zuge der Integration von Geflüchteten in den Arbeitsmarkt etwas steigen. Die Verbraucherpreisinflation bleibt weiterhin moderat. Die öffentlichen Haushalte werden wohl im Jahr 2016 ebenso wie im Jahr 2017 - auch in konjunkturbereinigter Rechnung - Überschüsse erwirtschaften

Konjunktur aktuell: Deutsche Binnenkonjunktur weiter im Aufwind

Die deutsche Wirtschaft befindet sich nach wie vor in einem moderaten Aufschwung. Der anhaltende Beschäfti-gungsaufbau führt zu spürbaren Einkommenssteigerungen, und der Fall der Energiepreise hat die Kaufkraft der privaten Haushalte deutlich erhöht. Beides treibt den privaten Konsum, aber auch die Wohnungsbauinvestitionen, welche überdies von den sehr niedrigen Zinsen beflügelt werden. Allerdings bleiben die Exporte angesichts der schwachen internationalen Dynamik in diesem und im nächsten Jahr eher verhalten. Alles in allem dürfte das deutsche Bruttoinlandsprodukt in diesem Jahr um 1,8% und im Jahr 2017 um 1,6% zunehmen

Robuste Binnenkonjunktur kompensiert schwächere Exportdynamik

Trotz beträchtlicher Schwankungen auf den Währungs-, Kapital- und Rohstoffmärkten expandiert die Weltproduk-tion moderat und ohne große Schwankungen. Die USA und Großbritannien sind im Aufschwung, und der Euroraum erholt sich zögerlich. In China hat sich die Kon-junktur nach einer ausgeprägten Schwächephase zu Be-ginn des Jahres 2015 wieder stabilisiert, während die Rezessionen in Russland und Brasilien anhalten. Beide großen Schwellenländer leiden an den starken Rück-gängen der Preise für ihre Rohstoffexporte. Weltweit robust ist dagegen die Konjunktur in den Dienstleis-tungsbereichen. Aufgrund des Falls der Rohstoffpreise sind die Inflationsraten vielerorts nahe an der 0%-Marke, wo auch die Leitzinsen der großen fortgeschrittenen Volks-wirtschaften liegen. Allerdings dürfte die US-Zentral-bank angesichts des Aufschwungs in den USA im Dezember eine erste Leitzinserhöhung vornehmen. Die EZB und die Bank von Japan versuchen weiter, der mä-ßigen Konjunktur in ihren Volkswirtschaften über eine fortgesetzte Ausweitung der Geldbasis Impulse zu geben. Die Finanzpolitik wird im Jahr 2016 alles in allem gelockert. Im Euroraum ist die Finanzpolitik sogar leicht expansiv ausgerichtet. Dennoch dürfte die welt-wirtschaftliche Produktion im Jahr 2016 nicht wesent-lich stärker zulegen als im zurückliegenden Jahr. Was die weltwirtschaftliche Nachfrage im Jahr 2016 stützt, sind neben dem niedrigen Zinsniveau die geringen Energie- und Rohstoffpreise. Diese bringen allerdings er-hebliche Risiken für die Stabilität von Volkswirtschaften mit sich, die auf die Erlöse aus Rohstoffexporten ange-wiesen sind..

Konjunktur aktuell: Gute Konjunktur in Deutschland und in der Welt

Im Frühsommer 2017 ist die konjunkturelle Dynamik in der Welt recht kräftig. Wichtige Rahmenbedingungen für die Weltwirtschaft dürften günstig bleiben: Die Zinsen werden weiterhin fast überall niedrig sein, und das im Allgemeinen ruhige Preisklima deutet darauf hin, dass von der Angebotsseite insgesamt bislang kaum Spannungen ausgehen. Die deutsche Wirtschaft befindet sich bereits seit Frühjahr 2013 in einem langgezogenen Aufschwung; sie wird im Sommerhalbjahr wohl weiter deutlich expandieren. Die Binnennachfrage und wegen der günstigen Arbeitsmarktlage insbesondere der private Konsum dürften kräftig bleiben. Die privaten Haushalte werden bei anhaltend günstigen Finanzierungsbedingungen auch ihre Bauaktivitäten weiter ausweiten, ebenso die Gebietskörperschaften, zumal die Steuereinnahmen hoch sind. Die Zuwachsrate des Bruttoinlandsprodukts ist allerdings wegen der geringeren Zahl an Arbeitstagen in diesem Jahr mit 1,6% niedriger als im Jahr 2016. Im kommenden Jahr dürfte der Zuwachs 1,8% betragen. Mit jeweils 1,7% in diesem und im nächsten Jahr fällt der Anstieg der Verbraucherpreise moderat aus, aber deutlich stärker als in den drei Jahren zuvor. Die Arbeitslosigkeit nimmt zunächst weiter ab. Die öffentlichen Haushalte erzielen weiterhin deutliche Überschüsse, auch in konjunkturbereinigter Rechnung. Die ostdeutsche Wirtschaft dürfte im Jahr 2017 wie bereits im Jahr zuvor um zwei Zehntel Prozentpunkte stärker zulegen als in Deutschland insgesamt. Risiken für die deutsche Wirtschaft resultieren vor allem aus den globalen wirtschaftspolitischen Rahmenbedingungen