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

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Kleinekathöfer
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452270316

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Gramnegative Bakterien haben eine äußere Membran als äußerste Barriere, die den Austausch von Substraten mit ihrer Umgebung ermöglichen muss, um zu überleben. Die äußere Membran fungiert also als Molekularsieb für wasserlösliche Moleküle. Um die Permeation durch solche Kanäle zu untersuchen, möchte man das System Atom für Atom darstellen, wobei gleichzeitig die Effizienz der Berechnungen eine Rolle spielt. Zu diesem Zweck haben wir den sogenannten Brownian Dynamics with Explicit Atoms (BRODEA)-Ansatz getestet und auf die Translokation von Antibiotikamolekülen durch Membranporen, aber auch auf den Transport durch und die Blockierung eines sehr großen Kanals in Bacillus anthracis angewendet. Die numerische Geschwindigkeit des BRODEA-Ansatzes ermöglicht sehr viel längere Simulationszeiten, die bei der Verwendung von Molekulardynamiksimulationen mit allen Atomen extrem rechenintensiv wären. Der BRODEA-Ansatz ermöglichte die direkte Simulation der Translokation von kleinen geladenen Fosfomycin-Antibiotikamolekülen. Bei angelegten elektrischen Feldern stimmten die resultierenden Zahlen recht gut mit den Ergebnissen von All-Atom-Simulationen und, was noch wichtiger ist, von elektrophysiologischen Experimenten überein. Das BRODEA-Schema wurde auch verwendet, um mehrere Antibiotika-Moleküle im Hinblick auf ihre Permeation in Bakterien zu analysieren. Auch hier korrelieren die Ergebnisse recht gut mit den entsprechenden Permeationsraten aus Experimenten. Der BRODEA-Ansatz kann seine ganze Stärke zeigen, wenn er auf große Systeme angewendet wird, bei denen eine gewisse Flexibilität der Porenreste oder des Substratmoleküls noch wichtig ist. Ein solches System ist der Anthrax-Toxin-Kanal, auf den wir das Hybridschema angewendet haben. Experimente ergaben eine Bindungsstelle für Chinolinmoleküle, was eine wichtige Erkenntnis bei der Suche nach neuen Blockern für den Milzbrandkanal ist. Mit Hilfe von Brownschen Dynamik-Simulationen konnten wir Flussraten und Profile der freien Energie bestimmen, was mit All-Atom-Simulationen unmöglich gewesen wäre. Trotz der Erfolge des BRODEA-Ansatzes wurde ein Manko deutlich. Molekulardynamiksimulationen zeigten, dass Bewegungen der L3-Schleife in den Porinkanälen zu einer beschleunigten Passage von positiv geladenen Molekülen führen können. Solche Ergebnisse erfordern eine flexible Beschreibung zumindest eines Teils der Pore. Wir haben gezeigt, dass die Antibiotika-induzierte Dynamik der L3-Schleife in mehreren Porinen wirksam ist. Sequenz- und Strukturunterschiede beeinflussen jedoch das Ausmaß der L3-Schleifenfluktuationen und damit die Auswirkungen auf die Antibiotikatranslokation.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Millisecond-Long Simulations of Antibiotics Transport through Outer Membrane Channels. Journal of Chemical Theory and Computation, 17(1), 549-559.
  Golla, Vinaya Kumar; Prajapati, Jigneshkumar Dahyabhai & Kleinekathöfer, Ulrich
  
• Improved Sampling and Free Energy Estimates for Antibiotic Permeation through Bacterial Porins. Journal of Chemical Theory and Computation, 17(7), 4564-4577.
  Acharya, Abhishek; Prajapati, Jigneshkumar Dahyabhai & Kleinekathöfer, Ulrich
  
• Atomistic Simulation of Molecules Interacting with Biological Nanopores: From Current Understanding to Future Directions. The Journal of Physical Chemistry B, 126(22), 3995-4008.
  Acharya, Abhishek; Prajapati, Jigneshkumar Dahyabhai & Kleinekathöfer, Ulrich
  
• Changes in Salt Concentration Modify the Translocation of Neutral Molecules through a ΔCymA Nanopore in a Non-monotonic Manner. ACS Nano, 16(5), 7701-7712.
  Prajapati, Jigneshkumar Dahyabhai; Pangeni, Sushil; Aksoyoglu, Mehmet Alphan; Winterhalter, Mathias & Kleinekathöfer, Ulrich
  
• Conformational Dynamics of Loop L3 in OmpF: Implications toward Antibiotic Translocation and Voltage Gating. Journal of Chemical Information and Modeling, 63(3), 910-927.
  Acharya, Abhishek; Ghai, Ishan; Piselli, Claudio; Prajapati, Jigneshkumar Dahyabhai; Benz, Roland; Winterhalter, Mathias & Kleinekathöfer, Ulrich
  
• Antibiotic Charge Profile Determines the Extent of L3 Dynamics in OmpF: An Expedited Passage for Molecules with a Positive Charge. The Journal of Physical Chemistry B, 127(50), 10766-10777.
  Acharya, Abhishek; Jana, Kalyanashis & Kleinekathöfer, Ulrich
  
• Fast prediction of antibiotic permeability through membrane channels using Brownian dynamics. Biophysical Journal, 122(14), 2996-3007.
  Acharya, Abhishek; Jana, Kalyanashis; Gurvic, Dominik; Zachariae, Ulrich & Kleinekathöfer, Ulrich
  
• Molecular Mechanism of Ciprofloxacin Translocation Through the Major Diffusion Channels of the ESKAPE Pathogens Klebsiella pneumoniae and Enterobacter cloacae. The Journal of Physical Chemistry B, 128(35), 8376-8387.
  Acharya, Abhishek; Behera, Pratik Kumar & Kleinekathöfer, Ulrich