Разработка реалистичных молекулярно-динамических моделей оболочек бактериальных клеток для оценки эффективности и изучения механизмов действия антимикробных средствНИР

Development of realistic molecular dynamics models of bacterial cell membranes to evaluate the effectiveness and study the mechanisms of action of antimicrobial agents

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 8 августа 2023 г.-30 июня 2024 г. Разработка реалистичных молекулярно-динамических моделей оболочек бактериальных клеток для оценки эффективности и изучения механизмов действия антимикробных средств
Результаты этапа: 1. Разработана методика создания крупнозернистых молекулярно-динамических моделей липосом с асимметричным липидным составом, в котором во внешнем монослое содержатся молекулы липополисахаридов, а во внутреннем – нейтрально и отрицательно заряженные липиды. Методика включает в себя 5 основных этапов: 1) выбор конкретного состава липосомы и ее радиуса, выбор радиуса искусственных водных каналов, выбор размера реакционной ячейки; выбор степени детализации молекулярно-динамической модели; 2) сборка молекулярно-динамической системы в силовом поле MARTINI с помощью онлайн сервиса CHARMM-GUI, в том числе добавление молекул растворителя и ионов в определённой концентрации в реакционную ячейку; 3) выравнивание концентрации ионов снаружи и внутри липосомы путем проведения молекулярно-динамического расчета длительностью 1 мкс с открытыми искусственными каналами, в которых на молекулы в составе липосомы наложено ограничение подвижности; 4) добавление молекул биоцидов либо для проведения вычислительных экспериментов с одиночными молекулами биоцидов, либо в реалистичной концентрации; 5) применение разработанных протоколов уравновешивания молекулярно-динамических систем. Например, созданная с помощью данной методики крупнозернистая молекулярно-динамическая модель липосомы радиусом 120 А, помещенная в кубическую реакционную ячейку со стороной 43 нм с молекулами воды и ионами, и содержащая в наружном монослое 919 молекул шероховатых липополисахаридов типа RAMP, а во внутреннем – 1273 нейтрально заряженных липидов фосфатидилэтаноламина (POPE), по 70 отрицательно заряженных липидов фосфатидилглицерола (POPG) и кардиолипина (CDL2), состоит из около 2.5 миллионов крупнозернистых частиц. При временном шаге 20 фс с использованием графического ускорителя последней модели NVIDIA RTX 4090 скорость расчетов на такой модели составляет примерно 100 нс/сутки. Исходя из этого, полноатомные модели липосом такого размера невозможно изучать на временах порядка микросекунд в настоящее время. 2. В результате успешного применения разработанной методики были созданы 8 молекулярно-динамических моделей липосом в присутствии биоцидов. Для изучения процесса транслокации одиночных молекул биоцидов через искусственные каналы было создано шесть молекулярно-динамических систем, в каждой из которых молекула биоцида помещалась на расстоянии 30 А от центра масс искусственного канала в открытом и закрытом состояниях: липосома с размещенной вблизи открытого (1) и закрытого (2) канала молекулой антисептика октенидина; липосома с размещенной вблизи открытого (3) и закрытого (4) канала молекулой фотосенсибилизатора метиленового синего; липосома с размещенной вблизи открытого (5) и закрытого (6) канала молекулой фотосенсибилизатора фталоцианина цинка. Для изучения взаимодействия антисептиков в реальных концентрациях, используемых в медицинских растворах, были дополнительно созданы две молекулярно-динамические системы, в которых молекулы октенидина помещались либо снаружи липосомы (7), либо внутри нее (8). В рамках данного проекта была создана крупнозернистая модель метиленового синего в силовом поле MARTINI. Для этого сначала была создана полноатомная молекулярно-динамическая модель, на основе которой были итеративно оптимизированы параметры валентных взаимодействий для крупнозернистой модели. Молекулы двух других исследованных биоцидов, фталоцианина цинка и октенидина, были созданы нами ранее. Для проверки влияния О-антигенов на процесс транслокации биоцидов внутрь липосомы были созданы 6 дополнительных крупнозернистых молекулярно-динамических систем, представляющих собой плоские бислойные мембраны, содержащие липополисахариды с двумя разными типами антигенных цепей, для экспериментов с каждым из трех типов биоцидов (антисептик октенидин, фотосенсибилизаторы фталоцианин цинка и метиленовый синий). К каждому типу мембраны были добавлены биоциды разного типа в реалистичных концентрациях. С помощью проведенных молекулярно-динамических расчетов длительностью 10 мкс каждый было показано, что все исследованные биоциды, кроме метиленового синего, при взаимодействии с мембраной, содержащей нейтрально заряженные антигены, запутываются в антигенных цепях и не доходят до поверхности коровой части липополисахаридных мембран. Поэтому создание липосомы, содержащей гладкие липополисахариды с О-антигенами, нерационально и не даст новой информации по проникновению биоцидов внутрь липосомы по сравнению с уже полученными данными. 3. С использованием созданных моделей (1) – (6) была изучена транслокация трех биоцидов через искусственные каналы. Для этого в каждой изучаемой системе центр масс биоцида тянули с постоянной скоростью по направлению к центру масс липосомы. При протягивании молекулы фталоцианина через открытый искусственный канал наблюдалось постепенное увеличение силы, с которой тянули биоцид, до максимальных значений 300 – 400 пН. К моменту прохождения внутреннего липидного монослоя искусственный канал успевал частично закрыться, и фактически молекуле фталоцианина было необходимо преодолеть только энергетический барьер, обусловленный ее взаимодействием с ацильными цепями жирных кислот, экспонированными внутрь искусственного канала. Однако, при прохождении молекулой фталоцианина закрытого искусственного канала максимальное значение силы составило уже около 1000 пН, соответствующее моменту входа молекулы фталоцианина в поверхностный коровый слой внешнего монослоя мембраны липосомы. Такие высокие значения силы объясняются электростатическим взаимодействием октакатионной молекулы фталоцианина с отрицательными зарядами коровой части молекул и фосфатов липида А в составе молекул липополисахаридов. Таким образом, барьером на пути транслокации фталоцианина цинка через мембрану является коровая часть внешнего липополисахаридного монослоя, несущая большое количество отрицательно заряженных групп в своем составе. При прохождении через открытый искусственный канал такой высокий барьер отсутствует, однако экспонированные внутрь канала ацильные цепи молекул липополисахаридов все же затрудняют прохождение внутрь липосомы. Было показано, что профили силы для прохождения молекул октенидина и метиленового синего через искусственный канал в целом похожи на профиль для фталоцианина цинка, однако, при протягивании молекулы октенидина через открытый искусственный канал значение прикладываемой силы было в 2.5 раза ниже, чем для фталоцианина цинка, и составило 150 пН, а для метиленового синего – почти в 7 раз ниже и составило 40 – 80 пН. Наблюдаемые результаты объясняются отличными физическими и химическими свойствами октенидина и метиленового синего (октенидин обладает в 2.5 раза меньшей массой и в 4 раза меньшим зарядом по сравнению с фталоцианином цинка; метиленовый синий обладает в 4.5 меньшей массой и в 8 раз меньшим зарядом по сравнению с фталоцианином цинка; молекула октенидина представляет собой гибкую линейную молекулу, производное дипиридина, октакис(холинил)фталоцианин цинка – макроцикл фталоцианина цинка с восьмью боковыми холиновыми заместителями, метиленовый синий – производное тиазина, ароматический гетероцикл). В отличие от фталоцианина, для метиленового синего, как и для октенидина, основным барьером на пути проникновения через закрытый искусственный канал является внутренний липидный монослой. При моделировании взаимодействия антисептика октенидина с наружной поверхностью липосомы было показано, что молекулы антисептика слипаются в крупные агрегаты, состоящие более чем из ста молекул, которые иногда сорбировались на поверхность липосомы, однако принципиальным моментом было то, что они не проникали внутрь липосомы даже на уровень коровой части липополисахаридов в составе внешнего монослоя. Таким образом, можно сделать вывод, что даже внешняя шероховатая липополисахаридная бактериальная мембрана, не содержащая О-антигенов в своем составе, служит надежным барьером на пути проникновения биоцидов внутрь бактериальной клетки. Процесс взаимодействия октенидина с внутренним липидным монослоем кардинально отличался от его взаимодействия с внешним липополисахаридным монослоем. Процесс встраивания молекул октенидина во внутренний монослой происходил довольно быстро: уже на временах порядка 500 нс более половины всех молекул встроились во внутренний монослой, а к 2 мкс встроились уже практически все молекулы. Таким образом, октенидин практически не взаимодействует с наружной липополисахаридной поверхностью модельной липосомы, но при этом проявляет высокое сродство к липидам внутреннего монослоя липосомы.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".