Аннотация: Осуществлен поиск новых перспективных антибактериальных соединений путем высокопропускного скрининга на их сродство к FtsZ-белка Vibrio choleraе.
Ключевые слова: высокопропускной скрининг, FtsZ-белок, Vibrio choleraе, молекулярная динамика.
Біоінформатика
УДК 577.2
Демчук Олег Миколайович
кандидат біологічних наук,
науковий співробітник
Державна установа Інститут харчової біотехнології
та геноміки НАН України
Пятковська Анна Станіславівна
студентка
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Демчук Олег Николайович
кандидат биологических наук,
научный сотрудник
Институт пищевой биотехнологии и
геномики НАН Украины
Пятковская Анна Станиславовна
студентка
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
Demchuk Oleh
PhD, Research Fellow
Institute of Food biotechnology and
genomics NAS of Ukraine
Piatkovska Anna
student
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
ПОШУК НОВИХ ПЕРСПЕКТИВНИХ СПОЛУК-ІНГІБІТОРІВ FTSZ-БІЛКУ VIBRIO CHOLERAЕ МЕТОДОМ ВИСОКОПРОПУСКНОГО СКРИНІНГУ
Анотація: Здійснено пошук нових перспективних антибактеріальних сполук шляхом високопропускного скринінгу на їх спорідненість до FtsZ-білка Vibrio choleraе.
Ключові слова: високопропускний скринінг, FtsZ-білок, Vibrio choleraе, молекулярна динаміка.
Аннотация: Осуществлен поиск новых перспективных антибактериальных соединений путем высокопропускного скрининга на их сродство к FtsZ-белка Vibrio choleraе.
Ключевые слова: высокопропускной скрининг, FtsZ-белок, Vibrio choleraе, молекулярная динамика.
Summary: Searching for a new prospective antibacterial compounds by high-throughput screening of affinity to FtsZ-protein Vibrio cholerae.
Key words: high productive screening, FtsZ-protein, Vibrio cholerae, molecular dynamics.
Одним з перспективних шляхів вирішення проблем стійкості до широко вживаних антибіотиків при лікуванні, зокрема, холери є пошук нових білків-мішеней, однією з яких є FtsZ-білок, що виконує функції поділу бактеріальних клітин, а також розробка нових селективних антибактеріальних препаратів. Для порушення процесу полімеризації протофіламентів FtsZ-білка існує широкий спектр різноманітних сполук.
Метою даної роботи є пошук біоінформаційними методами, а саме високопропускним скринінгом, нових перспективних потенційних інгібіторів FtsZ-білка бактеріального збудника Vibrio cholerae (FtsZ_Vc).
Віртуальний скринінг – це обчислювальна процедура, котра передбачає автоматизований перегляд бази даних хімічних сполук з наступним відбором тих із них, для яких прогнозується наявність заданих властивостей. Для здійснення віртуального скринінгу було обрано підхід з використанням високопропускного скринінгу в програмному пакеті Forge V.10. Даний програмний пакет здатен обґрунтувати пріоритетність сполук для подальших досліджень та описує молекули спираючись окрім структури, на їх молекулярні поля [1].
Високопропускний скринінг є процесом тестування великої кількості різноманітних хімічних структур проти цільових захворювань для виявлення "попадань". У порівнянні з традиційними методами скринінгу лікарських засобів, високопропускний скринінг характеризується своєю простотою, швидкістю, низькою вартістю, а також високою ефективністю, приймаючи в якості принципу взаємодію мішень-ліганд, а також призводить до більш високого інформаційного «врожаю» [2].
Основною перевагою даного методу є швидкість відбору: коли з великої бази даних на кілька тисяч чи сотень тисяч хімічних сполук обирається кілька десятків перспективних. В подальшому це дає змогу провести молекулярну динаміку отриманих комплексів у модельній буферній системі за допомогою спеціалізованого програмного пакету Gromacs із застосуванням силового поля charmm27. Та після молекулярної динаміки відібрати необхідну кількість сполук для подальших лабораторних дослідів.
Отже, в результаті досліджень з бібліотеки лігандів для молекулярного скринінгу, яка була створена на базі колекції сполук імідазольного ряду, загалом 2886 індивідуальних сполук, було відібрано 18 сполук (таблиця 1) за співпадінням скелетів при вирівнюванні, маркерів полів та фільтрів програми (таблиця 2), а також таких основних показників, як:
Таблиця 1 – Розшифровка всіх 18 сполук: назва та формула
|
F0478-0156 |
2-Phenyl-2,3-dihydro-1-thia-4a,9-diaza-fluoren-4-one (C16H12N2OS) |
|
F0478-0157 |
(2S)-2-(3-Nitrophenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C16H11N3O3S) |
|
F0478-0208 |
(2S)-2-(2-Thienyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C14H10N2OS2) |
|
F0478-0209 |
(2S)-2-(2-Furyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C14H10N2O2S) |
|
F0478-0210 |
2-(4-Fluoro-phenyl)-2,3-dihydro-1-thia-4a,9-diaza-fluoren-4-one (C16H11FN2OS) |
|
F0478-0211 |
(2S)-2-(1,3-Benzodioxol-5-yl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C17H12N2O3S) |
|
F0478-0212 |
(2S)-2-(3,4,5-Trimethoxyphenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C19H18N2O4S) |
|
F0478-0232 |
(2S)-2-(3,4-Dimethoxyphenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C18H16N2O3S) |
|
F0478-0233 |
(2S)-2-(4-Chlorophenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C16H11ClN2OS) |
|
F0478-0234 |
(2S)-2-(4-Methoxyphenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C17H14N2O2S) |
|
F0478-0235 |
(2S)-2-(1-Naphthyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C20H14N2OS) |
|
F0478-0248 |
1H-Benzotriazol-1-yl(3-chloro-6-methoxy-1-benzothiophen-2-yl)methanone (C16H10ClN3O2S) |
|
F0478-0310 |
(2S)-2-(4-Ethoxy-3-methoxyphenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C19H18N2O3S) |
|
F0478-0365 |
1H-Benzimidazol-1-yl(3-chloro-6-methoxy-1-benzothiophen-2-yl)methanone (C17H11ClN2O2S) |
|
F1259-0067 |
(2S)-2-(4-Ethoxyphenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C18H16N2O2S) |
|
F1346-0078 |
(2E)-3-(4-Fluorophenyl)-1-[2-(methylsulfanyl)-1H-benzimidazol-1-yl]-2-propen-1-one (C17H13FN2OS) |
|
F1651-0076 |
(2S)-2-(3-Fluorophenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C16H11FN2OS) |
|
F1651-0081 |
(2S)-2-(3,4-Dichlorophenyl)-2,3-dihydro-4H-[1,3]thiazino[3,2-a]benzimidazol-4-one (C16H10Cl2N2OS) |
|
Title |
#Atoms |
MW |
Sim |
Alns |
2D Sim |
SlogP |
TPSA |
Flexibility |
Rof5 |
|
F0478-0156 |
20 |
280,3 |
0,811 |
8 |
0,508 |
3,9 |
34,9 |
0,6 |
0 |
|
F0478-0157 |
23 |
325,3 |
0,799 |
9 |
0,486 |
3,7 |
80,7 |
0,9 |
0 |
|
F0478-0208 |
19 |
286,4 |
0,813 |
9 |
0,461 |
4 |
34,9 |
0,6 |
0 |
|
F0478-0209 |
19 |
270,3 |
0,791 |
10 |
0,485 |
2,9 |
48 |
0,6 |
0 |
|
F0478-0210 |
21 |
298,3 |
0,822 |
10 |
0,553 |
4,3 |
34,9 |
0,6 |
0 |
|
F0478-0211 |
23 |
324,4 |
0,819 |
10 |
0,769 |
3,6 |
53,3 |
0,6 |
0 |
|
F0478-0212 |
26 |
370,4 |
0,772 |
9 |
0,742 |
3,9 |
62,6 |
2,1 |
0 |
|
F0478-0232 |
24 |
340,4 |
0,784 |
10 |
1 |
3,9 |
53,3 |
1,6 |
0 |
|
F0478-0233 |
21 |
314,8 |
0,836 |
10 |
0,553 |
4,6 |
34,9 |
0,6 |
0 |
|
F0478-0234 |
22 |
310,4 |
0,798 |
10 |
0,73 |
3,9 |
44,1 |
1,1 |
0 |
|
F0478-0235 |
24 |
330,4 |
0,757 |
10 |
0,445 |
5,1 |
34,9 |
0,6 |
1 |
|
F0478-0248 |
23 |
343,8 |
0,76 |
10 |
0,438 |
4 |
57 |
1 |
0 |
|
F0478-0310 |
25 |
354,4 |
0,763 |
9 |
0,806 |
4,3 |
53,3 |
2,6 |
0 |
|
F0478-0365 |
23 |
342,8 |
0,757 |
8 |
0,434 |
4,6 |
44,1 |
1 |
0 |
|
F1259-0067 |
23 |
324,4 |
0,79 |
10 |
0,613 |
4,3 |
44,1 |
2,1 |
0 |
|
F1346-0078 |
22 |
312,4 |
0,753 |
9 |
0,363 |
4,4 |
34,9 |
1,8 |
0 |
|
F1651-0076 |
21 |
298,4 |
0,814 |
10 |
0,548 |
4,3 |
34,9 |
0,6 |
0 |
|
F1651-0081 |
22 |
347,9 |
0,804 |
9 |
0,599 |
5,3 |
34,9 |
0,6 |
1 |
Сайтом зв’язування еталонної сполуки з білком FtsZ_Vc обрано атом зі складу амінокислотного залишку, розташованого по центру області, яка аналогічна сайту зв’язування сполуки PC190723 з FtsZ-білком S.aureus subsp. aureus Mu50. Для потенційного сайту зв’язування складі FtsZ_Vc таким атомом виявився атом азоту ND2 амінокислотного залишку Asn192.
Під час обрахунків молекулярної динаміки за допомогою модуля «mdrun» програмного пакету «Gromacs 4.5.4» фіксувались величини енергетичних компонент, а саме кулонівських (електростатичних, Vl-s el) та Леннард-Джонсівських (Vl-s LJ) взаємодій, як ліганду в складі комплексу з білком, так і ліганду у водному оточенні [4]. Енергію зв’язування ліганду з білком обраховували за формулою:
∆Gbind = α(<Vl-s LJ>p - <Vl-s LJ>w) + β(<Vl-s el>p - <Vl-s el>w) [5].
Враховуючи той факт, що в даній формулі від значень V ліганду в комплексі віднімаються відповідні значення V ліганду в чистому водному оточенні, то ∆Gbind > 0 свідчить про те, що енергія ліганду в воді є нижчою, ніж у складі комплексу з FtsZ_Vc, перебування в якому, відповідно, не є енергетично вигіднішим за перебування в чистому водному середовищі. І навпаки, ∆Gbind < 0 вказує на більш релаксовану конформацію ліганда в комплексі з білком у порівнянні з конформацією в чистому водному оточенні. Наближення показника ∆Gbind до нуля свідчить про те, що у складі комплексу з білком ліганд набуває такого конформаційного стану, який подібний до його ненапруженої конформації у водному середовищі. Обраховані значення коливань ∆Gbind похідних бензімідазолів на поверхні FtsZ_Vc представлено на рис. 1 у вигляді ліній логарифмічних трендів відповідних графіків.
Рис. 1 – Логарифмічні тренди коливання значень ∆Gbind для похідних імідазолу на поверхні білку FtsZ_Vc [розробка автора]
Аналіз наведених даних свідчить, що при розташуванні лігандів у встановленому потенційному сайті енергетично невигідні конформації виявляються у лігандів F0478-0235, F0478-0234, F0478-0210, F0478-0209, F0478-0233та F0478-0248. Однак до близько-нульових позитивних значень опускаються тренди F1259-0067, F0478-0156, F0478-02310, F0478-0211, F0478-0365 і F1346-0078, що свідчить про набуття комфортного розташування зазначених лігандів у сайті, та піднімається лінія тренду у випадку F0478-0210, F0478-0310 вказуючи на погіршення конфірмаційного стану даного ліганду під час молекулярної динаміки.
Від’ємні кінцеві значення рівнів ∆Gbind демонструє молекулярна динаміка для F0478-0157, F0478-0232, F1651-0076, F0478-0208 та F1651-0081, що однозначно говорить про більшу релаксацію даних двох сполук у складі ліганд-білкового комплексу в порівнянні з водним середовищем. При цьому слід зауважити, що у випадку F0478-0232 та F0478-0157 лінія тренду підіймається до нульової відмітки, а у випадку інших трьох сполук – опускається за неї. Це, в свою чергу, свідчить про високу потенційну здатність останніх трьох низькомолекулярних сполук виявляти афінні властивості при зв’язуванні з FtsZ-білком холерного вібріону в сайті зв’язування.
Таким чином, проведений аналіз молекулярної динаміки ліганд-білкових комплексів дозволяє нам обрати сполуки F1651-0076 ((2S)-2-(3-Фторфеніл)-2,3-дигідро-4H-[1,3]тіазино[3,2-a]бензімідазол-4-он), F0478-0208 ((2S)-2-(2-Тіеніл)-2,3-дигідро-4H-[1,3] тіазино[3,2-a]бензімідазол -4-он) та F1651-0081 ((2S)-2-(3,4-Дихлорфеніл)-2,3-дигідро-4H-[1,3]тіазино[3,2-a]бензімідазол-4-он) як такі, що є потенційними інгібіторами FtsZ_Vc. Також дані сполуки є гарними попередниками для подальшого раціонального дизайну нових інгібіторів FtsZ-білків патогенних бактерій і можуть знайти застосування як антибактеріальні засоби.
Література:
