Brownsche Dynamik-Simulationen inklusive expliziter Atome für die Modellierung von Transport durch Nanoporen

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Kleinekathöfer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452270316

Der Transport durch Nanoporen ist von großer Wichtigkeit in vielen Feldern der Naturwissenschaften und der Medizin. Gram-negative Bakterien, zum Beispiel, besitzen eine äußere Membran, die als physikalische Barriere gegen das Eindringen in diese Bakterien dient. Die Translokation durch Membranporen ist häufig die einzige Option, um Antibiotika in diese Zellen zu bekommen. Nur für eine begrenzte Anzahl von Membranporen und antibakterielle Verbindungen ist das Eindringen in die Bakterien relativ gut verstanden. Atomare Simulationen der Antibiotika-Translokationen sind dieser Tage für einzelne Kombinationen von Poren und Verbindungen durchführbar, aber numerisch aufwendig. Daher sind molekulardynamische Simulation ungeeignet zum Testen einer größeren Anzahl von Molekül-Poren-Kombinationen. Ein weiteres Beispiel einer Pore, für die Simulationen des Transports auf dem atomaren Ebene wegen der Größe numerisch sehr aufwendig ist, ist das Protektive Antigen (PA63) des Anthrax-Toxins. Dieses Projekt fokussiert sich auf eine Methode der Brownschen Dynamik, die explizite Atome beinhaltet und BRODEA genannt wurde. Eine erste Version dieses Schemas wurde vor kurzem entwickelt und sie versucht die rechnerische Effizienz der Brownschen Dynamik-Simulationen mit der atomaren Kraftfeld-Darstellung für wichtige Teile des Systems zu kombinieren. Die mögliche Behandlung von expliziten Atomen im Rahmen der Brownschen Dynamik erlaubt es, die Annahme von starren Kanälen und insbesondere starren Substraten aufzulockern. Ein Ziel des Projektes ist es, die Elektrostatik-Beschreibung zwischen den Methoden der Brownschen und der molekulardynamischen Simulationen zu verbessern. Darüber hinaus, soll die Methode für Molekül-Poren-Kombinationen getestet werden, für die es entweder schon molekulardynamische Daten gibt oder für die sie berechnet werden.Der BRODEA-Zugang soll auf die Translokation einer Vielfalt von Antibiotika-Molekülen durch eine Reihe von Porinen pathogener Bakterien angewandt werden, deren Struktur erst kürzlich aufgelöst wurde. Während für geladene Moleküle elektrische Felder eingesetzt werden können, müssen für neutrale Verbindungen Flächen der freien Energie berechnet werden. Zusätzliche Rechnungen werden den Effekt von divalenten Ionen auf die Translokationsprozessen beinhalten. Diese Rechnungen für eine Vielfalt von Verbindungen und Kanälen wird eine Abschätzung ergeben, in welchen Fällen der neue Hybridansatz eingesetzt werden kann, um zuverlässige Resultate zu bekommen.Außerdem die BRODEA-Methode kann einen schnellen und zuverlässigen Weg ermöglichen, Simulationen für lange Kanälen von Toxinen durchzuführen. Weil der Ionentransport durch das kanalformende Protektive Antigen (PA63) des Anthrax-Toxins noch nicht molekulardynamisch untersucht wurde, sind solche Rechnungen vorgesehen, um Vergleichswerte für die folgenden BRODEA-Rechnungen zu erhalten. Danach, sollen Moleküle untersucht werden, die potentiell den Kanal blockieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen