<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Med. Technol.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Medical Technology</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Med. Technol.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2673-3129</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fmedt.2021.626481</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Medical Technology</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Modeling Cell Selectivity of Antimicrobial Peptides: How Is the Selectivity Influenced by Intracellular Peptide Uptake and Cell Density</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Schefter</surname> <given-names>Bethany R.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1179106/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Nourbakhsh</surname> <given-names>Shokoofeh</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1195014/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Taheri-Araghi</surname> <given-names>Sattar</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/209819/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Ha</surname> <given-names>Bae-Yeun</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/426656/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Physics and Astronomy, University of Waterloo</institution>, <addr-line>Waterloo, ON</addr-line>, <country>Canada</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Department of Physics and Astronomy, California State University</institution>, <addr-line>Northridge, CA</addr-line>, <country>United States</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Maria A. Deli, Institute of Biophysics, Hungary</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Manuel N. Melo, New University of Lisbon, Portugal; Jens Rolff, Freie Universit&#x000E4;t Berlin, Germany</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Bae-Yeun Ha <email>byha&#x00040;uwaterloo.ca</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Pharmaceutical Innovation, a section of the journal Frontiers in Medical Technology</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>22</day>
<month>02</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>3</volume>
<elocation-id>626481</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>06</day>
<month>11</month>
<year>2020</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>20</day>
<month>01</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2021 Schefter, Nourbakhsh, Taheri-Araghi and Ha.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Schefter, Nourbakhsh, Taheri-Araghi and Ha</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract><p>Antimicrobial peptides (AMPs) are known to attack bacteria selectively over their host cells. Many attempts have been made to use them as a template for designing peptide antibiotics for fighting drug-resistant bacteria. A central concept in this endeavor is &#x0201C;peptide selectivity,&#x0201D; which measures the &#x0201C;quality&#x0201D; of peptides. However, the relevance of selectivity measurements has often been obscured by the cell-density dependence of the selectivity. For instance, the selectivity can be overestimated if the cell density is larger for the host cell. Furthermore, recent experimental studies suggest that peptide trapping in target bacteria magnifies the cell-density dependence of peptide activity. Here, we propose a biophysical model for peptide activity and selectivity, which assists with the correct interpretation of selectivity measurements. The resulting model shows how cell density and peptide trapping in cells influence peptide activity and selectivity: while these effects can alter the selectivity by more than an order of magnitude, peptide trapping works in favor of host cells at high host-cell densities. It can be used to correct selectivity overestimates.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>antimicrobial peptides</kwd>
<kwd>peptide activity and selectivity</kwd>
<kwd>biophysical modeling</kwd>
<kwd>Langmuir binding model</kwd>
<kwd>minimal inhibition concentration</kwd>
<kwd>minimal hemolytic concentration</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="3"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="16"/>
<ref-count count="24"/>
<page-count count="9"/>
<word-count count="5982"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>Antimicrobial peptides (AMPs) are naturally-occurring peptide antibiotics and attack bacteria selectively over host cells (<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>). AMPs are mostly cationic and have stronger binding affinity for bacterial membranes, which carry a large fraction of anionic lipids (<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>). Their amphiphilic structure enables them to attach to and perturb membranes (<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>). While membrane perturbation is not the sole mechanism of action, it is the first decisive event they induce (<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>). Indeed, AMPs are multitasking molecules: they are pore formers, metabolic inhibitors (<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>), and/or immunomodulators (<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>). Their membrane-perturbing ability has, however, spurred many attempts to use them as a template for designing potent peptide antibiotics, especially for fighting conventional drug-resistant bacteria (<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>). Developing bacterial resistance against membrane-perturbing peptides would involve &#x0201C;costly&#x0201D; redesigning of their membranes (<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>). Nevertheless, pathogens can evolve antimicrobial resistance (<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>). Consequences of this need to be considered in our endeavor in searching for potent peptide antibiotics. Despite this challenge, the therapeutic potential of these multitasking molecules has generated interest in designing optimized peptides [see a recent review (<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>) and references therein].</p>
<p>A central concept in assessing peptide potency is &#x0201C;peptide selectivity.&#x0201D; For a given peptide, it is quantified by the ratio of a minimum hemolytic concentration (MHC) to a minimum inhibitory concentration (MIC) [see for instance; (<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>)]. For large MHC/MIC, there is a range of peptide concentration at which a given peptide is active against bacteria only. The requirement of a minimum peptide concentration (either MIC or MHC) for membrane rupture suggests that cell density is a control parameter for peptide activity and selectivity, as recently discussed (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>). Increasing the cell density is equivalent to reducing the amount of peptides available to each cell. As a result, MICs and MHCs increase as the cell density increases; the ratio MHC/MIC is cell-density dependent.</p>
<p>A related quantity is a threshold coverage of peptides on membranes (<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>). Let <italic>P</italic>/<italic>L</italic> be the molar ratio of bound peptides to lipids. At the MIC or MHC, <italic>P</italic>/<italic>L</italic> reaches the threshold value, <italic>P</italic>/<italic>L</italic>&#x0002A;, beyond which bound peptides permeabilize the membrane. The value of <italic>P</italic>/<italic>L</italic>&#x0002A; depends on the type of peptide and lipid (<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>). It is typically larger for lipid membranes mimicking bacterial membranes.</p>
<p>The correct interpretation of selectivity measurements has often been obscured by the cell-density dependence of the selectivity (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>). For instance, the selectivity can be overestimated if the cell density is larger for the host cell. Furthermore, a number of recent studies highlight the effect of peptide trapping inside (dead) cells on peptide activity and selectivity (<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>). It was shown that each cell can absorb &#x0007E;10<sup>7</sup> peptides (<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>). Often referred to as an <italic>inoculum</italic> effect [see (<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>) and references therein], this enhances population survivability (<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>), since it lowers the peptide concentration in the solution. As a result, the MIC obtained for a bacterial culture increases more rapidly with the cell density (<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>), compared to what corresponding model membranes would suggest (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>).</p>
<p>Here we offer a biophysical model of peptide activity and selectivity that assists with the correct interpretation of selectivity measurements. Our primary goal is to present a theoretical model, which can be used to predict peptide activity and selectivity under a variety of conditions, once their biophysical parameters are characterized. Indeed, an experimental approach to the relationship between peptide selectivity and cell densities is complex in a multi-species cultures, despite its relevance in biological and medical contexts. Our model will be beneficial for clarifying the relevance of selectivity measurements under controlled conditions.</p>
<p>Here we consider two approaches to quantifying cell selectivity (MHC/MIC). Imagine measuring MICs and MHCs in separate cell cultures (each containing a single species) and combining them into MHC/MIC. In this work, the resulting selectivity is referred to as &#x0201C;noncompetitive selectivity.&#x0201D; Alternatively, one can measure MICs and MHCs in a multi-species cell culture containing both bacteria and host cells and then calculate MHC/MIC. The resulting (competitive) selectivity is generally different from the corresponding noncompetitive one (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>). If the competitive selectivity reflects adequately the competition between host cells and bacteria in binding peptides, the noncompetitive one can be exaggerated, when the host cell density is high, as correctly referred to as an experimental &#x0201C;illusion&#x0201D; by Matsuzaki (<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>).</p>
<p>Consistent with earlier studies (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>), our results suggest that both MICs and MHCs increase with cell densities <italic>C</italic><sub>cell</sub>; in a low cell-density limit, they become <italic>C</italic><sub>cell</sub>-independent, i.e., intrinsic to a given peptide. Our results also show that peptide trapping increases both MICs and MHCs, magnifying their cell-density dependence, since the competition for peptides between cells is now stronger. This is a key feature highlighted in recent experiments (<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>) but left out in earlier theoretical studies (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>). The net effect of peptide trapping on peptide selectivity is that it tends to enhance the selectivity in the large host-cell density limit. With the parameter choices used, noncompetitive selectivity can be exaggerated by an order of magnitude. Our model also offers a systematic approach to correcting the selectivity for exaggeration; a noncompetitive selectivity can be corrected into a corresponding competitive one.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>Theoretical Model</title>
<p>In this section, we discuss how peptide selectivity depends on cell density. We first introduce a few key parameters relevant in this work. Let <italic>C</italic><sub>p</sub> be the total concentration of peptides. Recall that <italic>P</italic>/<italic>L</italic> is the molar ratio of membrane-bound peptides to lipids; (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>B</sub> for bacterial membranes and (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> for host cell membranes. At a certain value of <italic>C</italic><sub>p</sub>, denoted as <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <italic>P</italic>/<italic>L</italic> reaches a threshold value required for membrane rupture, (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)&#x0002A;; <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is either MIC or MHC. Also, the cell density, <italic>C</italic><sub>cell</sub>, is a key parameter for peptide activity and selectivity (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>); <italic>C</italic><sub>cell</sub> &#x0003D; <italic>C</italic><sub>B</sub> for bacteria and <italic>C</italic><sub>cell</sub> &#x0003D; <italic>C</italic><sub>H</sub> for host cells. A related quantity is the surface area of each cell, <italic>A</italic><sub>cell</sub> (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>): <italic>A</italic><sub>cell</sub> &#x0003D; <italic>A</italic><sub>B</sub> or <italic>A</italic><sub>cell</sub> &#x0003D; <italic>A</italic><sub>H</sub> for bacteria and host cells, respectively. Doubling <italic>A</italic><sub>cell</sub> for given <italic>C</italic><sub>cell</sub> is equivalent to doubling <italic>C</italic><sub>cell</sub> for given <italic>A</italic><sub>cell</sub>. Similarly, <italic>a</italic><sub>B</sub> and <italic>a</italic><sub>H</sub> are the lipid headgroup area for bacterial and host-cell membranes, respectively. Finally, <italic>N</italic><sub>p</sub> is the number of trapped peptides per cell: <italic>N</italic><sub>pB</sub> and <italic>N</italic><sub>pH</sub> for bacteria and host cells, respectively.</p>
<p>The cell-density dependence of peptide activity, especially for a mixture of bacterial and host cells, is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> [see (<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>) for a homogeneous case]. Here, the concentric circles in blue represent bacterial cells and the pink ones stand for host cells. <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1(i</xref>) shows a single-cell limit at an MIC. The introduction of a host cell will reduce the amount of peptides for the existing bacterial cell as shown in (ii). The extra number of peptides to maintain at the MIC is equal to (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> &#x000D7; <italic>A</italic><sub>H</sub>/<italic>a</italic><sub>H</sub>; similarly, in (iii), the number of peptides that should be added is <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Cell-density dependence of <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, i.e., either MIC or MHC. Cells are represented by two concentric circles and peptides by filled (free) or unfilled circles (bound) circles; if the blue circles represent bacterial cells, the pink ones stand for host cells. Let <italic>A</italic><sub>cell</sub> &#x0003D; <italic>A</italic><sub>B</sub> or <italic>A</italic><sub>H</sub> be the bacterial or host cell surface area, respectively. The progression from <bold>(i)</bold>&#x02013;<bold>(iii)</bold> suggests that <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mtext>MIC</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>cell</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>MI</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. If we exchange the role between bacterial and host cells, we arrive at <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:mtext>MHC</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>cell</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>MH</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The figure was adapted with permission from (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>), Copyright (2015) American Chemical Society, and from (<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>) with permission from The Royal Society of Chemistry.</p></caption>
<graphic xlink:href="fmedt-03-626481-g0001.tif"/>
</fig>
<p>A number of studies have unambiguously shown that (dead) cells can absorb a large number of peptides (&#x0007E;10<sup>7</sup>-10<sup>8</sup>) (<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013; <xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>). This enhances the so-called &#x0201C;inoculum&#x0201D; effect: it amplifies the cell-density dependence of MICs and MHCs, since it increases the number of peptides consumed by each cell. Along the line of what was done recently (<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>), this effect can be taken into account. Recall that <italic>N</italic><sub>pB</sub> and <italic>N</italic><sub>pH</sub> are the number of absorbed peptides per cell in bacterial and host cells, respectively. Our consideration replies on the following justifiable simplification: <italic>N</italic><sub>pB</sub> &#x0003D; 0 below MIC and similarly <italic>N</italic><sub>pH</sub> &#x0003D; 0 below MHC. Prior to membrane rupture, penetration of peptides into a cell is expected to be a rare event, since it involves overcoming a large free energy barrier for crossing an otherwise intact cell membrane.</p>
<p>Following the reasoning in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> and taking into account peptide trapping, one can arrive at</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1a)</label><mml:math id="M7"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>MIC</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>MIC</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>pB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E2"><label>(1b)</label><mml:math id="M8"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>MHC</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>MHC</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>pB</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here MIC<sub>0</sub> and MHC<sub>0</sub> are, respectively, MIC and MHC in the low-cell density (or single-cell) limit: <italic>C</italic><sub>cell</sub> &#x02192; 0 (<italic>C</italic><sub>cell</sub> is either <italic>C</italic><sub>B</sub> or <italic>C</italic><sub>H</sub>). The term inside [&#x02026;] can be interpreted as the total number of peptides consumed per cell; recall <inline-formula><mml:math id="M9"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the value of <italic>N</italic><sub>p</sub> at <inline-formula><mml:math id="M10"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (e.g., either MIC or MHC). It is assumed that MHC &#x0003E; MIC: peptides are selective, i.e., at the MIC, host cells remain intact. This has to be understood with caution. If MICs and MHCs are measured separately in a noncompetitive way, MICs can be larger than MHCs. This is, however, irrelevant for our discussion here. As a result of this inequality, the relations in Equation (1) are not fully symmetric with respect to the exchange between the subscripts &#x0201C;B&#x0201D; and &#x0201C;H.&#x0201D;</p>
<p>It is worth noting that the values of (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>B</sub> and (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> depend on the total concentration of peptides and cell densities. They are determined by chemical equilibrium between free and bound peptides [see the <xref ref-type="app" rid="A1">Appendix</xref>]. In contrast, <inline-formula><mml:math id="M11"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M12"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are constants, which are set by the membrane-peptide parameters (<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>).</p>
<p>Finally, note that the term [(<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>B</sub> (<italic>A</italic><sub>B</sub>/<italic>a</italic><sub>B</sub>) &#x0002B; <italic>N</italic><sub>pB</sub>] in Equation (1b) is larger than [&#x02026;] in Equation (1a), since the former is evaluated at a larger value of <italic>C</italic><sub>p</sub> above the MIC. In this case, however, pore formation in bacterial membranes will alter the energetics of peptide binding. In the limit <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0226B; <italic>C</italic><sub>B</sub>, as is often the case, this will not limit the applicability of Equation (1b), since this term has a minimal impact on the MHC.</p>
<p>For a noncompetitive or homogeneous case, the last term in Equations (1a,b) will disappear. It is worth noting that the values of MIC<sub>0</sub>, MHC<sub>0</sub>, <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M14"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> can be obtained from noncompetitive measurements. If (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)&#x0002A; is not known, the number of peptides consumed per cell, i.e., the term inside [&#x02026;] in Equation (1), can be viewed as a fitting parameter. See below for a competitive case.</p>
<p>It will be instructive to compare the two terms inside [&#x02026;] in Equation (1): the number of membrane-bound peptides and the number of adsorbed peptides per cell. For this consideration, we invoke some simplification: a cell viewed as a sack of molecules enclosed by a bilayer. For <italic>E. coli</italic> as a representative bacterium, <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mtext>&#x003BC;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>m</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, twice the area of each lipid layer (either inner or outer) in the cytoplasmic membrane. Since <inline-formula><mml:math id="M16"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>70</mml:mn><mml:msup><mml:mo>&#x000C5;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. For the peptide melittin, <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>02</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>01</mml:mn></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>). We thus find <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. This number is much smaller than <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pB</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>-10<sup>8</sup> (<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>). The presence of outer membranes will not change this inequality. For human red blood cells as representative host cells, <italic>A</italic><sub>H</sub> &#x02248; 17<italic>A</italic><sub>B</sub> and <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. As a result, we obtain <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which is smaller than <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>). The main source of inoculum effects is the trapping of peptides inside dead cells (i.e., for <italic>P</italic>/<italic>L</italic> &#x0003E; (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)&#x0002A;).</p>
<p>A full analysis of Equation (1) is involved, since it requires the determination of four unknowns: (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>B</sub>, (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub>, <italic>N</italic><sub>pB</sub>, and <italic>N</italic><sub>pH</sub>, as a function of <italic>C</italic><sub>p</sub> [see (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>) for earlier efforts]; also the energetics of peptide trapping including peptide binding to intracellular components has yet to be understood in a quantitative manner.</p>
<p>In some relevant limits, we can use Equation (1) to map out a few scenarios regarding peptide selectivity. In the competitive case, if <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0226B; <italic>C</italic><sub>B</sub> as in whole blood, Equation (1) can be approximated as</p>
<disp-formula id="E3"><label>(2a)</label><mml:math id="M25"><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E4"><label>(2b)</label><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Here (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> in Equation (2a) is to be evaluated at <italic>C</italic><sub>p</sub> &#x0003D; MIC.</p>
<p>In Equation (2), MIC<sub>0</sub> and MHC<sub>0</sub> can be viewed as fitting parameters. In a more systematic approach, they can be related to binding energy, <italic>w</italic>, which characterizes the interaction of a peptide with a membrane (see the <xref ref-type="app" rid="A1">Appendix</xref>); in this work, <italic>w</italic><sub>B</sub> and <italic>w</italic><sub>H</sub> are the binding energy for bacterial and host-cell membranes, respectively.</p>
<p>Chemical equilibrium between free and bound peptides [see Equation A3 in the Appendix and the SI of (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>)] leads to<xref ref-type="fn" rid="fn0001"><sup>1</sup></xref></p>
<disp-formula id="E5"><label>(3)</label><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Here, <italic>v</italic><sub>p</sub> is the volume occupied by each peptide in the bulk and <italic>A</italic><sub>p</sub> is the peptide area on the membrane surface.</p>
<p>We can use Equation (3) to eliminate (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> in Equation (2a) by equating the first terms in these two equation<xref ref-type="fn" rid="fn0002"><sup>2</sup></xref>; similarly, <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in Equation (2b) can be eliminated in favor of (MHC)<sub>0</sub>:</p>
<disp-formula id="E6"><label>(4a)</label><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E7"><label>(4b)</label><mml:math id="M30"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>MHC</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>MHC</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The MIC in Equation (4a) increases linearly with <italic>C</italic><sub>H</sub>. It can be strikingly different from the corresponding noncompetitive MIC in the limit <italic>C</italic><sub>B</sub> &#x02192; 0: MIC<sub>0</sub>. For sufficiently large <italic>C</italic><sub>H</sub>, the former can be much larger than the latter.</p>
<p>The ratio MHC/MIC becomes</p>
<disp-formula id="E8"><label>(5)</label><mml:math id="M31"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This implies that peptide trapping in host cells enhances peptide selectivity. Compared to the case <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, more peptides will be needed in order for (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> to reach <inline-formula><mml:math id="M33"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0226B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Since the second term inside [&#x02026;] in the numerator of Equation (5) is larger than the first term roughly by an order of magnitude, the effect of peptide trapping on the selectivity is up to about 10-fold.</p>
<p>Note that the MHC in Equation (4b) holds for a host-cell only case as well. In contrast, the MIC for a bacterial-cell only case becomes</p>
<disp-formula id="E9"><label>(6)</label><mml:math id="M35"><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>pB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This can be obtained from Equation (4b) by exchanging the role of host cells with that of bacteria.</p>
<p>The main advantage of Equations (4), (5), and (6) is that <italic>P</italic>/<italic>L</italic>&#x0002A; is not shown explicitly. It is absorbed into MIC<sub>0</sub> or MHC<sub>0</sub>, which are experimentally more accessible. Also it is worth noting that the use of Equation (4) or Equation (5) would not necessarily require measurements of such biophysical parameters as <italic>v</italic><sub>p</sub>, <italic>w</italic><sub>H</sub>, <italic>w</italic><sub>B</sub>, <inline-formula><mml:math id="M36"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pH</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. The term inside (&#x02026;) on the right-hand side of Equations (4) and (6) as a whole can be viewed as a fitting parameter. It is a slope of either MIC or MHC curve as a function of the cell density and can be obtained from the corresponding homogeneous case. See the last section for relevant points.</p>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s3">
<title>Results</title>
<p>We have analyzed Equations (4) and (5) to clarify inoculum effects on peptide activity and selectivity. For lipid bilayers mimicking cell membranes, the parameters in these equations have been characterized (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>). They are, however, not known for real cells. In particular, the interdependence between <italic>w</italic>, <italic>P</italic>/<italic>L</italic>&#x0002A;, and <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is elusive because of the complexities of cell structures. For instance, <italic>w</italic><sub>B</sub> for Gram-negative bacteria should take into account the peptide interaction with their outer membrane (OM), among others. Recall that this is an effective parameter, in which microscopic details (e.g., peptide charge, peptide interaction with the OM, and the presence of cholesterol in the host-cell membrane) are subsumed. This has only recently been mapped out theoretically for lipid bilayers (<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>). Here we do not attempt to calculate the effective binding energy <italic>w</italic> (either <italic>w</italic><sub>B</sub> or <italic>w</italic><sub>H</sub>) for real cells and to use it in the computation of MIC<sub>0</sub> and MHC<sub>0</sub>. Instead, we start with conveniently-chosen but biophysically-relevant values of MIC<sub>0</sub> and MHC<sub>0</sub>. The resulting analysis will not involve (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)&#x0002A; explicitly. For simplicity, the number of trapped peptides <italic>N</italic><sub>p</sub> is chosen to be the same for bacteria and host cells: <inline-formula><mml:math id="M39"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Otherwise, we have used peptide parameters relevant for the peptide melittin (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>): peptide charge <italic>Q</italic> &#x0003D; 5, <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>400</mml:mn><mml:msup><mml:mo>&#x000C5;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo>&#x000C5;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For this peptide, <italic>w</italic> was mapped out for model membranes, mimicking bacterial and host-cell membranes: <italic>w</italic><sub>B</sub> &#x0003D; &#x02212;16.6<italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic> and <italic>w</italic><sub>H</sub> &#x0003D; &#x02212;6.72<italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>). They are used as representative binding energy. Also, <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>74</mml:mn><mml:msup><mml:mo>&#x000C5;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>71</mml:mn><mml:msup><mml:mo>&#x000C5;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.2</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mo>&#x000C5;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msup><mml:mtext>m</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as for <italic>E. coli</italic>, and <italic>A</italic><sub>H</sub> &#x0003D; <italic>A</italic><sub>B</sub> or <italic>A</italic><sub>H</sub> &#x0003D; 17<italic>A</italic><sub>B</sub> as for human red blood cells (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>).</p>
<p>We have plotted our results for MICs and MHCs in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. For this, we have chosen the parameters as follows: MIC<sub>0</sub> &#x0003D; 1&#x003BC;M and MHC<sub>0</sub> &#x0003D; 5&#x003BC;M. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref> shows the MIC as a function of <italic>C</italic><sub>B</sub> in units of 5 &#x000D7; 10<sup>9</sup>cells/mL obtained in a noncompetitive way. In all cases, the MIC increases linearly from MIC<sub>0</sub> &#x0003D; 1&#x003BC;M, as <italic>C</italic><sub>B</sub> increases, as expected from Equation (1). The inset recaptures the MIC data in linear plot. It indicates a linear relationship between the MIC and <italic>C</italic><sub>B</sub>. The MIC curve is steeper for a larger value of <italic>N</italic><sub>p</sub>. This is well aligned with recent experiments (<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>). The inoculum effect increases the slope of the MIC curves, not the &#x0201C;<italic>y</italic>&#x0201D;-intercept, which coincides with cell-density independent MIC<sub>0</sub>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Peptide activity, i.e., MICs and MHCs. We have chosen the parameters as follows: (MIC)<sub>0</sub> &#x0003D; 1&#x003BC;M and (MHC)<sub>0</sub> &#x0003D; 5&#x003BC;M; <italic>w</italic><sub>B</sub> &#x0003D; &#x02212;16.6<italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic> and <italic>w</italic><sub>H</sub> &#x0003D; &#x02212;6.72<italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic>; <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>40</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>33</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;3</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.2</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;2</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <italic>A</italic><sub>H</sub> &#x0003D; 17 &#x000D7; <italic>A</italic><sub>B</sub>. The number of trapped peptides <italic>N</italic><sub>p</sub> is chosen to be the same for bacteria and host cells: <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. <bold>(A)</bold> This graph shows the results for MICs as a function of <italic>C</italic><sub>B</sub> in units of 5 &#x000D7; 10<sup>9</sup>cells/mL obtained in a noncompetitive way. In all cases, the MIC increases from MIC<sub>0</sub> &#x0003D; 1, as <italic>C</italic><sub>B</sub> increases (Equation 1). The MIC is higher for a larger value of <italic>N</italic><sub>p</sub>. The sensitivity of the MIC to <italic>N</italic><sub>p</sub> is better captured in the linear plot in the inset; all the curves indicate a linear relationship between the MIC and <italic>C</italic><sub>B</sub>. <bold>(B)</bold> MICs (left axis) and MHCs (right axis) are shown as a function of <italic>C</italic><sub>H</sub> given in units of 5 &#x000D7; 10<sup>9</sup>cells/mL obtained in a competitive way. Various symbols are used to distinguish between different choices of <italic>N</italic><sub>p</sub>. If <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0226B; <italic>C</italic><sub>B</sub>, MICs are roughly independent of <italic>N</italic><sub>p</sub>; in this case, MHCs are approximately the same for the competitive and noncompetitive cases. As <italic>C</italic><sub>H</sub> increases, the MIC increases up to 40-fold from MIC<sub>0</sub> at <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0003D; 0 (Equation 4a). Similarly MHCs increase as a function of <italic>C</italic><sub>H</sub>, more rapidly for larger <italic>N</italic><sub>p</sub> (Equation 4b); for <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, the MHC increases by up to two orders of magnitude. The inset graph recaptures the data in a linear plot.</p></caption>
<graphic xlink:href="fmedt-03-626481-g0002.tif"/>
</fig>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>, MICs (left axis) and MHCs (right axis) are shown as a function of <italic>C</italic><sub>H</sub> given in units of 5 &#x000D7; 10<sup>9</sup>cells/mL obtained in a competitive way. They are represent by dashed lines with symbols. First, note that MHCs are approximately the same for the competitive and noncompetitive cases as long as <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0226B; <italic>C</italic><sub>B</sub>; also MICs are insensitive to <italic>C</italic><sub>B</sub> and <italic>N</italic><sub>p</sub>, if <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0226B; <italic>C</italic><sub>B</sub> and MHC<sub>0</sub> &#x0003E; MIC<sub>0</sub> (see Equation 4). This is distinct from larger MICs for larger <italic>N</italic><sub>p</sub> in the noncompetitive case in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>. As <italic>C</italic><sub>H</sub> increases, the MIC increases up to 40-fold from MIC<sub>0</sub> at <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0003D; 0 (Equation 4A). This is consistent with the observation that peptide interactions with host cells diminish peptide activity <italic>in vivo</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>). Similarly, MHCs increase as a function of <italic>C</italic><sub>H</sub>, more rapidly for larger <italic>N</italic><sub>p</sub> (Equation 4B and the inset graph). For <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, the MHC increases by up to two orders of magnitude.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> displays our results for peptide selectivity, which combines the graphs in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2A</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F2">B</xref>. The graph in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref> shows our results for MHC/MIC as a function of <italic>C</italic><sub>B</sub> obtained in a noncompetitive way. In all cases presented by various colors, the ratio MHC/MIC or the selectivity decreases, as <italic>C</italic><sub>B</sub> increases. The selectivity is higher for larger values of <italic>C</italic><sub>H</sub>. Also, it is higher for larger <italic>N</italic><sub>p</sub> if <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02272;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>07</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext></mml:math></inline-formula> but is smaller if <inline-formula><mml:math id="M52"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02273;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>07</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext></mml:math></inline-formula>. Peptide trapping increases both MHC and MIC. At low <italic>C</italic><sub>B</sub>, the net effect is to enhance the selectivity; at high <italic>C</italic><sub>B</sub>, it reduces the selectivity, since lots of peptides are trapped in bacteria and &#x0201C;wasted.&#x0201D;</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Cell selectivity of antimicrobial peptides, i.e., MHC/MIC. We have used the same parameters as in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>: (MIC)<sub>0</sub> &#x0003D; 1&#x003BC;M, and (MHC)<sub>0</sub> &#x0003D; 5&#x003BC;M; <italic>w</italic><sub>B</sub> &#x0003D; &#x02212;16.6<italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic>, and <italic>w</italic><sub>H</sub> &#x0003D; &#x02212;6.72<italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic>; <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>40</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>33</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;3</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.2</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;2</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <italic>A</italic><sub>H</sub> &#x0003D; 17 &#x000D7; <italic>A</italic><sub>B</sub>; <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (the same for bacteria and host cells). <bold>(A)</bold> This graph shows MHC/MIC as a function of <italic>C</italic><sub>B</sub> in units of 5 &#x000D7; 10<sup>9</sup>cells/mL obtained in a noncompetitive way. In all cases, the selectivity decreases, as <italic>C</italic><sub>B</sub> increases. The selectivity is higher for larger values of <italic>C</italic><sub>H</sub>. It is also larger for larger <italic>N</italic><sub>p</sub> unless <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0003D; 0 (black dashed) or <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02273;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>07</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (compare the top two curves). Also note that there is no essential difference between the two cases: <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (tangerine) and <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (cyan). This means that the latter case falls in the single-cell limit. <bold>(B)</bold> MHC/MIC are shown as a function of <italic>C</italic><sub>H</sub> given in units of 5 &#x000D7; 10<sup>9</sup>cells/mL. Competitive (dashed lines with various symbols) and noncompetitive (solid lines) cases are compared. For the competitive case, Equation (4) was used, which holds for <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0226B; <italic>C</italic><sub>B</sub>. The competitive selectivity increases as <italic>C</italic><sub>H</sub> increases, except for <italic>N</italic><sub>p</sub> &#x0003D; 0 (magenta). In all noncompetitive cases shown, the selectivity increases as <italic>C</italic><sub>H</sub> increases. In all cases, the selectivity is higher for larger <italic>N</italic><sub>p</sub>. In the noncompetitive case, the presence of 5 &#x000D7; 10<sup>5</sup>cells/mL does not change the selectivity with reference to the corresponding limiting case <italic>C</italic><sub>B</sub> &#x02192; 0; at this density of bacterial cells, MIC &#x02248; MIC<sub>0</sub>. Compared to the corresponding competitive selectivity, the noncompetitive selectivity is overestimated, more so for larger <italic>C</italic><sub>H</sub>; for <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext></mml:math></inline-formula>, the latter is exaggerated by an order of magnitude.</p></caption>
<graphic xlink:href="fmedt-03-626481-g0003.tif"/>
</fig>
<p>Also note that there is no essential difference between the two cases: <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (tangerine) and <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (cyan). This means that the latter case falls in the single-cell limit.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>, the results for MHC/MIC are shown as a function of <italic>C</italic><sub>H</sub>. Competitive (dashed line with various symbols) and noncompetitive (solid lines) cases are compared. For the competitive case, Equation (4) was used, which holds for <italic>C</italic><sub>H</sub> &#x0226B; <italic>C</italic><sub>B</sub>. The competitive selectivity increases as <italic>C</italic><sub>H</sub> increases, except for <italic>N</italic><sub>p</sub> &#x0003D; 0 (magenta). In all noncompetitive cases, the selectivity increases as <italic>C</italic><sub>H</sub> increases; the presence of <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext></mml:math></inline-formula> does not change the selectivity with reference to the corresponding limiting case <italic>C</italic><sub>B</sub> &#x02192; 0, since at this density of bacterial cells, MIC &#x02248; MIC<sub>0</sub>. In both the competitive and noncompetitive cases shown, the selectivity is higher for larger <italic>N</italic><sub>p</sub>: peptide trapping enhances the selectivity.</p>
<p>Similarly to what earlier studies suggest (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>), the results in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref> show how peptide selectivity can be mistakenly estimated. Compared to the corresponding competitive selectivity, the noncompetitive selectivity is overestimated, more so for larger <italic>C</italic><sub>H</sub>; for <inline-formula><mml:math id="M64"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext></mml:math></inline-formula>, the latter is exaggerated by an order of magnitude.</p>
<p>These results also clear up possible confusions. Even in the presence of a large amount of host cells, the selectivity measured in a competitive environment is not an experimental artifact. It just reflects correctly the cell-density dependence of the selectivity, as discussed in the section 2.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>Discussions and Conclusions</title>
<p>We have discussed the cell-density dependence of peptide activity and selectivity. For this, we have combined physical arguments, which relate peptide activity and selectivity to cell density, and a Langmuir-type model, in which the amount peptide binding (or trapping) is dictated by an effective binding energy. This combined effort produced a predictive model for peptide activity and selectivity. It can be used to calculate MICs, MHCs, and MHC/MIC, once a few key biophysical parameters are characterized, which include the number of trapped peptides per cell (<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>) and peptide-membrane interactions.</p>
<p>Alternatively, our model can be used as a fitting model for analyzing data. For instance, the &#x0201C;<italic>y</italic>&#x0201D;-intercept and the &#x0201C;slope&#x0201D; can be extracted from noncompetitive measurements of MICs or MHCs vs. cell density. This will determine (MIC)<sub>0</sub> or (MHC)<sub>0</sub> as well as the terms inside (&#x02026;) on the right-hand side of Equations (4b) and (6). This information can be used in Equation (4) (or more generally Equation 1), which represents a heterogeneous mixture of bacteria and host cells.</p>
<p>This consideration, however, would necessitate prior knowledge about one of <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (or equivalently <italic>w</italic><sub>B</sub>). To see this, notice that homogeneous measurements lead to the value of the sum of the two terms inside (&#x02026;) in Equation (6). If <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is known, as is most obvious for pure-lipid membranes (<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>), <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>pB</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> can be extracted from noncompetitive measurements.</p>
<p>An alternative but possibly less practical approach is to measure several MICs in a competitive setting. By fitting the data to Equation (4a) will produce the coefficient of <italic>C</italic><sub>H</sub>. One can then obtain MIC, MHC, and MHC/MIC as a function of <italic>C</italic><sub>B</sub> or <italic>C</italic><sub>H</sub>, the density of bacteria or host cells, respectively. For instance, in whole blood, <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext></mml:math></inline-formula>. The density of bacteria depends on the degree and location of infection. It ranges from 1 colony-forming unit (CFU/mL) (in blood stream) to 10<sup>9</sup>CFU/mL (in soft tissue or peritonea) [see a recent review (<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>) and relevant references therein]. Graphs similar to those in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> or <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> will be beneficial for understanding the activity and selectivity of antimicrobial peptides in varying biological environments.</p>
<p>As pointed out in a number of earlier studies (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>), the selectivity measured noncompetitively is often much larger than the corresponding competitive one, if the host cell density is much larger than the bacterial cell density. The results in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> offer a quantitative picture of how the selectivity can be excessively overestimated. It can, however, be corrected, since noncompetitive measurements can be converted into competitive ones. For instance, suppose that noncompetitive measurements led to <italic>w</italic><sub>B</sub> &#x0003D; &#x02212;16.6<italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic>, <italic>w</italic><sub>H</sub> &#x0003D; &#x02212;6.72<italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic>, <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, MIC<sub>0</sub> &#x0003D; 1&#x003BC;M, and MHC<sub>0</sub> &#x0003D; 5&#x003BC;M, as in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. In the presence of <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>cells</mml:mtext><mml:mo>/</mml:mo><mml:mtext>mL</mml:mtext></mml:math></inline-formula> (<italic>C</italic><sub>B</sub> &#x0226A; <italic>C</italic><sub>H</sub>), these parameters choices would lead to the following noncompetitive selectivity: MHC/MIC &#x02248; 100 (Equation 1 and <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>). It can be corrected graphically (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>) or mathematically (Equation 4) into the corresponding competitive selectivity MHC/MIC &#x02248; 10.</p>
<p>As a final remark, we wish to mention that peptide activity against live cells is time-dependent, as observed in recent experiments (<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>). Accordingly, the density of bacterial cells, is a dynamic quantity. Furthermore, heterogeneous absorption of peptides in cells was shown to have a nontrivial consequence on population survivability. Because of the stochastic nature of molecular interactions occurring on the cell surface and inside, some cells absorb a large number of peptides (&#x0007E;10<sup>7</sup>-10<sup>8</sup>) (<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>), thus reducing the availability of peptides to the rest and contributing favorably to population survivability (<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>). Also, the density of peptides can change with time, depending on how fast the host cells produce them (<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>). It is also influenced by peptide degradation by protease (<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>). Its effect on peptide activity is similar to what we expect from peptide trapping. Taking into all these known and unknown details goes beyond the scope of what can be done at present. Future considerations are warranted.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability-statement" id="s5">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusions of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author Contributions</title>
<p>B-YH and BRS conducted the research. B-YH wrote the manuscript. BRS, SN, and ST-A commented on the manuscript. SN helped solve the peptide binding equations. All authors contributed to the article and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack><p>We acknowledge the reviewers for their useful comments on the relevance of our work to selectivity measurements in multi-species cultures and on bacterial resistance against antimicrobial peptides, and for bringing relevant work to our attention (<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>).</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zasloff</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Antimicrobial peptides of multicellular organisms</article-title>. <source>Nature.</source> (<year>2002</year>) <volume>415</volume>:<fpage>389</fpage>&#x02013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/415389a</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Brogden</surname> <given-names>KA</given-names></name></person-group>. <article-title>Antimicrobial peptides: pore formers or metabolic inhibitors in bacteria?</article-title> <source>Nat Rev Microbiol.</source> (<year>2005</year>) <volume>3</volume>:<fpage>238</fpage>&#x02013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrmicro1098</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15703760</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Melo</surname> <given-names>MN</given-names></name> <name><surname>Ferre</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Castanho</surname> <given-names>MARB</given-names></name></person-group>. <article-title>Antimicrobial peptides: linking partition, activity and high membrane-bound concentrations</article-title>. <source>Nat Rev Microbiol.</source> (<year>2009</year>) <volume>7</volume>:<fpage>245</fpage>&#x02013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrmicro2095</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19219054</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Epand</surname> <given-names>RM</given-names></name> <name><surname>Epand</surname> <given-names>RF</given-names></name></person-group>. <article-title>Biophysical analysis of membrane-targeting antimicrobial peptides: membrane properties and the design of peptides specifically targeting gram-negative bacteria</article-title>. In: <person-group person-group-type="editor"><name><surname>Wang</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group> editor. <source>Antimicrobial Peptides Discovery, Design and Novel Therapeutic Strategies</source>. <publisher-loc>Wallingford</publisher-loc>: <publisher-name>CABI</publisher-name> (<year>2010</year>).</citation></ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Matsuzaki</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Why and how are peptide-lipid interactions utilized for self-defense? Magainins and tachyplesins as archetypes</article-title>. <source>Biochim Biophys Acta.</source> (<year>1999</year>) <volume>1462</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>10</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0005-2736(99)00197-2</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10590299</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hancock</surname> <given-names>RE</given-names></name> <name><surname>Haney</surname> <given-names>EF</given-names></name> <name><surname>Gill</surname> <given-names>EE</given-names></name></person-group>. <article-title>The immunology of host defence peptides: beyond antimicrobial activity</article-title>. <source>Nat Rev Immunol.</source> (<year>2016</year>) <volume>16</volume>:<fpage>321</fpage>&#x02013;<lpage>34</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nri.2016.29</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27087664</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mookherjee</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Anderson</surname> <given-names>MA</given-names></name> <name><surname>Haagsman</surname> <given-names>HP</given-names></name> <name><surname>Davidson</surname> <given-names>DJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Antimicrobial host defence peptides: functions and clinical potential</article-title>. <source>Nat Rev Drug Discov.</source> (<year>2020</year>) <volume>19</volume>:<fpage>311</fpage>&#x02013;<lpage>32</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41573-019-0058-8</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32107480</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hancock</surname> <given-names>REW</given-names></name> <name><surname>Sahl</surname> <given-names>HG</given-names></name></person-group>. <article-title>Antimicrobial and host-defense peptides as new anti-infective therapeutic strategies</article-title>. <source>Nat Biotechnol.</source> (<year>2006</year>) <volume>24</volume>:<fpage>1551</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nbt1267</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17160061</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jiang</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Vasil</surname> <given-names>AI</given-names></name> <name><surname>Hale</surname> <given-names>JD</given-names></name> <name><surname>Hancock</surname> <given-names>REW</given-names></name> <name><surname>Vasil</surname> <given-names>ML</given-names></name> <name><surname>Hodges</surname> <given-names>RS</given-names></name></person-group>. <article-title>Effects of net charge and the number of positively charged residues effects on the biological activity of amphipathic &#x003B1;-helical cationic antimicrobial peptides</article-title>. <source>Biopolymers</source>. (<year>2007</year>) <volume>90</volume>:<fpage>369</fpage>&#x02013;<lpage>83</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/bip.20911</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19400313</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Perron</surname> <given-names>GG</given-names></name> <name><surname>Zasloff</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Bell</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group>. <article-title>Experimental evolution of resistance to an antimicrobial peptide</article-title>. <source>Proc R Soc B.</source> (<year>2006</year>) <volume>273</volume>:<fpage>251</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspb.2005.3301</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Peschel</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Sahl</surname> <given-names>HG</given-names></name></person-group>. <article-title>The co-evolution of host cationic antimicrobial peptides and microbial resistance</article-title>. <source>Nat Rev Microbiol.</source> (<year>2006</year>) <volume>4</volume>:<fpage>529</fpage>&#x02013;<lpage>36</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nrmicro1441</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16778838</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bagheri</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Taheri-Araghi</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Ha</surname> <given-names>BY</given-names></name></person-group>. <article-title>How cell concentrations are implicated in cell selectivity of antimicrobial peptides</article-title>. <source>Langmuir</source>. (<year>2015</year>) <volume>31</volume>:<fpage>8052</fpage>&#x02013;<lpage>62</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.langmuir.5b01533</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26137936</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nourbakhsh</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Taheri-Araghi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Ha</surname> <given-names>BY</given-names></name></person-group>. <article-title>Toward building a physical model for membrane selectivity of antimicrobial peptides: making a quantitative sense of the selectivity</article-title>. <source>Soft Matter.</source> (<year>2019</year>) <volume>15</volume>:<fpage>7509</fpage>&#x02013;<lpage>26</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c9sm00930b</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">31528961</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lee</surname> <given-names>MT</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>FY</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>HW</given-names></name></person-group>. <article-title>Energetics of pore formation induced by membrane active peptides</article-title>. <source>Biochemistry.</source> (<year>2004</year>) <volume>43</volume>:<fpage>3590</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/bi036153r</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15035629</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lee</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Hung</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>HW</given-names></name></person-group>. <article-title>Many-body effect of antimicrobial peptides: on the correlation between Lipid&#x00027;s spontaneous curvature and pore formation</article-title>. <source>Biophys J.</source> (<year>2005</year>) <volume>89</volume>:<fpage>4006</fpage>&#x02013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1529/biophysj.105.068080</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16150963</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Huang</surname> <given-names>HW</given-names></name></person-group>. <article-title>Molecular mechanism of antimicrobial peptides: the origin of cooperativity</article-title>. <source>Biochim Biophys Acta Biomembr.</source> (<year>2006</year>) <volume>1758</volume>:<fpage>1292</fpage>&#x02013;<lpage>302</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bbamem.2006.02.001</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16542637</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Melo</surname> <given-names>MN</given-names></name> <name><surname>Ferre</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Feliu</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Bardaj&#x000ED;</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Planas</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Castanho</surname> <given-names>MARB</given-names></name></person-group>. <article-title>Prediction of antibacterial activity from physicochemical properties of antimicrobial peptides</article-title>. <source>PLoS ONE.</source> (<year>2011</year>) <volume>6</volume>:<fpage>e28549</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0028549</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22194847</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Matsuzaki</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Control of cell selectivity of antimicrobial peptides</article-title>. <source>Biochim Biophys Acta Biomembr.</source> (<year>2009</year>) <volume>1788</volume>:<fpage>1687</fpage>&#x02013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bbamem.2008.09.013</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18952049</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Savini</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Luca</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Bocedi</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Massoud</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Park</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Mangoni</surname> <given-names>ML</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Cell-density dependence of host-defense peptide activity and selectivity in the presence of host cells</article-title>. <source>ACS Chem Biol.</source> (<year>2017</year>) <volume>12</volume>:<fpage>52</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acschembio.6b00910</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27935673</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Savini</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Bobone</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Roversi</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Mangoni</surname> <given-names>ML</given-names></name> <name><surname>Stella</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>From liposomes to cells: filling the gap between physicochemical and microbiological studies of the activity and selectivity of host-defense peptides</article-title>. <source>Peptide Sci.</source> (<year>2018</year>) <volume>110</volume>:<fpage>e24041</fpage>&#x02013;<lpage>1-14</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/pep2.24041</pub-id></citation></ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Snoussi</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Talledo</surname> <given-names>JP</given-names></name> <name><surname>Rosario</surname> <given-names>NAD</given-names></name> <name><surname>Mohammadi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Ha</surname> <given-names>BY</given-names></name> <name><surname>Ko&#x00161;mrlj</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Taheri-Araghi</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Heterogeneous absorption of antimicrobial peptide LL37 in <italic>Escherichia coli</italic> cells enhances population survivability</article-title>. <source>eLife</source>. (<year>2018</year>) <volume>7</volume>:<fpage>e38174</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.38174</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30560784</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="web"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Loffredo</surname> <given-names>MR</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Inoculum effect of antimicrobial peptides</article-title>. (<year>2020</year>) Available online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.08.21.260620v1.full">https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.08.21.260620v1.full</ext-link></citation></ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dill</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Bromberg</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <source>Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Biology, Chemistry, Physics, and Nanoscience</source>. <edition>2nd Edition</edition>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Garland Science</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Starr</surname> <given-names>CG</given-names></name> <name><surname>He</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Wimley</surname> <given-names>WC</given-names></name></person-group>. <article-title>Host cell interactions are a significant barrier to the clinical utility of peptide antibiotics</article-title>. <source>ACS Chem Biol.</source> (<year>2016</year>) <volume>11</volume>:<fpage>3391</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acschembio.6b00843</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27797468</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="A1">
<title>Appendix</title>
<p>Here we present a Langmuir model of peptide binding [see (<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>) and the SI of (<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>)]. Let &#x003BC;<sub>B</sub> and &#x003BC;<sub>H</sub> be the chemical potential of bound peptides, and &#x003C3;<sub>B</sub> and &#x003C3;<sub>H</sub> their planar density, on the bacterial and host-cell surface, respectively. The planar density is related to <italic>P</italic>/<italic>L</italic> through &#x003C3;<sub>B</sub><italic>a</italic><sub>B</sub> &#x0003D; (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>B</sub> and &#x003C3;<sub>H</sub><italic>a</italic><sub>H</sub> &#x0003D; (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub>. Recall that <italic>w</italic><sub>B</sub> and <italic>w</italic><sub>H</sub> are the peptide binding energy for bacterial and host-cell membranes, respectively. In general, the binding energy depends on the value of <italic>P</italic>/<italic>L</italic> mainly through the interaction between bound peptides. In recent studies (<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>), it was estimated at <italic>P</italic>/<italic>L</italic> &#x0003D; (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)&#x0002A;. The resulting binding energy can be used to find (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)&#x0002A;, i.e., either MIC or MHC.</p>
<p>Let <italic>v</italic><sub>p</sub> be the volume occupied by each peptide in the bulk and <italic>A</italic><sub>p</sub> the area occupied by each bound peptide on the membrane surface. In the presence of two types of cells, we find</p>
<disp-formula id="E13"><label>(A1)</label><mml:math id="M73"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>as well as</p>
<disp-formula id="E14"><label>(A2)</label><mml:math id="M74"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>free</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In equilibrium, &#x003BC;<sub>B</sub> &#x0003D; &#x003BC;<sub>H</sub> &#x0003D; &#x003BC;<sub>free</sub>. We thus arrive at</p>
<disp-formula id="E15"><label>(A3a)</label><mml:math id="M75"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E16"><label>(A3b)</label><mml:math id="M76"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>In this expression, we eliminated the planar density in favor of <italic>P</italic>/<italic>L</italic>. These equations can be solved simultaneously for the two unknowns: (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> and (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>B</sub> for a given value of <italic>C</italic><sub>p</sub>. The value of <italic>C</italic><sub>p</sub> at which <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M78"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an MHC (MIC). If evaluated at <italic>P</italic>/<italic>L</italic>&#x0002A;, the last term in Equations A3(a) and (b) is the <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in the low-cell density limit: either MHC<sub>0</sub> or MIC<sub>0</sub>.</p>
</app>
</app-group>
<fn-group>
<fn id="fn0001"><p><sup>1</sup>Here (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> is to be evaluated at the peptide concentration <italic>C</italic><sub>p</sub> &#x0003D; MIC. As a result, <italic>w</italic><sub>H</sub> in this expression corresponds to (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub> smaller than <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Here we ignore the possible dependence of <italic>w</italic><sub>H</sub> on (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub>. For pure-lipid membranes, this dependence can, in principle, be mapped out (<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>). If we use the final expression in Equation (4a) as a fitting model, this issue becomes irrelevant.</p></fn>
<fn id="fn0002"><p><sup>2</sup>The origin of the cell-density dependent term in Equation (3) is obvious from the illustration in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. At the low-cell density limit, Equation (3) is equivalent to saying that
<disp-formula id="E10"><label>(7)</label><mml:math id="M81"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>This can be obtained from Equation (A3) in the Appendix. More directly, chemical equilibrium at <italic>C</italic><sub>p</sub> &#x0003D; MIC<sub>0</sub> in the low-cell density limit requires
<disp-formula id="E11"><label>(8)</label><mml:math id="M82"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MIC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>B</mml:mtext><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The second term in each line is the entropic chemical potential of bound peptides in units of <italic>k</italic><sub>B</sub><italic>T</italic> (<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>). The second equality leads to Equation (7), which shows the relationship between the total peptide concentration, i.e., MIC<sub>0</sub>, and (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub>. Equation (7) can readily be solved for (<italic>P</italic>/<italic>L</italic>)<sub>H</sub>:
<disp-formula id="E12"><label>(9)</label><mml:math id="M83"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>MHC</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mtext>H</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>This is used in the transition from Equations (2A) to (4A).</p></fn>
</fn-group>
<fn-group>
<fn fn-type="financial-disclosure"><p><bold>Funding.</bold> This work was supported by NSERC (Canada) (B-YH) and the National Institute of Health (R15-GM124640) (ST-A).</p>
</fn>
</fn-group>
</back>
</article>
