Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 55008 10.29039/rusjbpc.2022.0508 Моделирование в биофизике Modelling in biophycis Моделирование в биофизике STRUCTURAL PECULIARITIES OF DNA-DPS CLUSTERS AT DIFFERENT CONCENTRATIONS OF 4-HEXYLRESORCINOL Структурные особенности кластеров ДНК-DPS при изменении концентрации 4- гексилрезорцина Терешкина К. Б. Tereshkina K. B. ksenia.tereshkina@chph.ras.ru Лойко Н. Г. Loiko N. G. Терешкин Э. В. Tereshkin E. V. ramm@mail.ru Коваленко В. В. Kovalenko V. V. Генералова А. А. Generalova A. A. Крупянский Ю. Ф. Krupyanskii Y. F. ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Москва Россия Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН Москва Россия Federal Research Centre “Fundamentals of Biotechnology” of the Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Москва Россия Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Москва Россия Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Москва Россия Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Москва Россия Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation 25 06 2022 25 06 2022 7 2 235 240 20 06 2022 20 06 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/55008/view

Образование комплексов и кристаллов бактериальной нуклеоидной ДНК внутри клеток бактерий в ответ на неблагоприятные внешние воздействия представляет большой интерес как в биофизике и структурной биологии, так и в различных областях промышленности. Основную роль в конденсации и кристаллизации ДНК у бактерий в стрессовых условиях (голодание, температурный, окислительный и другие виды стресса) играют ДНК-связывающие белки DPS. В данной работе методом классической молекулярной динамики в полноатомном приближении исследуется динамическое поведение и структура комплексов белка DPS бактерии Escherichia coli в растворе с короткоцепочечной ДНК (25 пар нуклеотидов), при изменении концентрации фенольного липида 4-гексилрезорцина, являющегося химическим аналогом индукторов анабиоза бактерий. Изучается влияние изменения концентрации 4-гексилрезорцина от 0 до 50, 100 и 500 молекул на комплекс ДНК-DPS. Методом поиска линейной энергии взаимодействия получены данные о свободных энергиях связывания ДНК с белком без и в присутствии 4-гексилрезорцина. Показано, что большие концентрации 4-гексилрезорцина способствуют образованию комплексов ДНК с DPS. Для выявления особенностей динамического поведения ДНК и белка был проведён анализ главных компонент. Получены пространственные и энергетические характеристики комплексов.

The formation of complexes and crystals of bacterial nucleoid DNA inside bacterial cells in response to adverse external influences is of great interest both in biophysics and structural biology, and in various fields of industry. The main role in the condensation and crystallization of DNA in bacteria under stressful conditions (starvation, temperature, oxidative, and other types of stress) is played by DNA-binding proteins DPS. In this work, the dynamic behavior and structure of Escherichia coli DPS protein complexes in solution with short-chain DNA (25 base pairs) are studied using classical molecular dynamics in the all-atom approximation with a change in the concentration of the phenolic lipid 4-hexylresorcinol, which is a chemical analog of bacterial anabiosis inducers. The effect of changing the concentration of 4-hexylresorcinol from 0 to 50, 100 and 500 molecules on the DNA-DPS complex is being studied. By searching for the linear interaction energy, data were obtained on the free energies of DNA-protein binding without and in the presence of 4-hexylresorcinol. It has been shown that high concentrations of 4-hexylresorcinol promote the formation of DNA complexes with DPS. To identify the features of the dynamic behavior of DNA and protein, the principal component analysis was carried out. The spatial and energy characteristics of the complexes was obtained.

 DPS стабилизация ДНК 4-гексилрезорцин Escherichia coli молекулярная динамика DPS DNA stabilization 4-hexylresorcinol Escherichia coli molecular dynamics Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (Тема FFZE-2022-0011, № 122040400089-6 и 122040800164-6). Расчеты проводились на высокопроизводительной вычислительной системе МВС-10П в Межведомственном суперкомпьютерном центре Российской академии наук (МСЦ РАН), проект CHPH2.

Tereshkin E.V., Tereshkina K.B., Kovalenko V.V., Loiko N.G., Krupyanskii Y.F. Structure of DPS protein complexes with DNA. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2019, vol. 13, no. 5, pp. 769-777, doi: 10.1134/s199079311905021x. Tereshkin E.V., Tereshkina K.B., Kovalenko V.V., Loiko N.G., Krupyanskii Y.F. Structure of DPS protein complexes with DNA. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2019, vol. 13, no. 5, pp. 769-777, doi: 10.1134/s199079311905021x. Бухарин О.В., Гинцбург А.Л., Романова Ю.М., Эль-Регистан Г.И. Механизмы выживания бактерий. М.: Медицина, 2005, 367 с. Bukharin O.V., Gintsburg A.L., Romanova Yu.M., El-Registan G.I. Survival mechanisms of bacteria. M.: Medicine, 2005, 367 p. (In Russ.) Nikolaev Y.A., Tutel'yan A.V., Loiko N.G., et al. The use of 4-Hexylresorcinol as antibiotic adjuvant. PLoS One, 2020, vol. 15, no. 9, p. e0239147, doi: 10.1371/journal.pone.0239147. Nikolaev Y.A., Tutel'yan A.V., Loiko N.G., et al. The use of 4-Hexylresorcinol as antibiotic adjuvant. PLoS One, 2020, vol. 15, no. 9, p. e0239147, doi: 10.1371/journal.pone.0239147. Tereshkin E.V., Loiko N.G., Tereshkina K.B., Krupyanskii Y.F. Migration of 4-Hexylresorcine Through Escherichia coli Cell Membranes. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2021, vol. 15, no. 6, pp. 1026-1035, doi: 10.1134/S1990793121060099. Tereshkin E.V., Loiko N.G., Tereshkina K.B., Krupyanskii Y.F. Migration of 4-Hexylresorcine Through Escherichia coli Cell Membranes. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2021, vol. 15, no. 6, pp. 1026-1035, doi: 10.1134/S1990793121060099. Терешкин Э.В., Терешкина К.Б., Крупянский Ю.Ф. Миграция орцинола через модельные мембраны Escherichia coli. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2020, т. 5, № 4, с. 619-622. Tereshkin E.V., Tereshkina K.B., Krupyansky Yu.F. Migration of orcinol through model membranes of Escherichia coli. Russian Journal of Biological Physics and Chemistry, 2020, vol. 5, no. 4, pp. 619-622. (In Russ.) Лойко Н.Г., Мулюкин А.Л., Козлова А.Н., Каплун А.П., Сорокин В.В., Борзенков И.А., Николаев Ю.А., Капрельянц А.С., Эль-Регистан Г.И. Влияние гексилрезорцина, химического аналога микробных аутоиндукторов анабиоза, на стабильность мембранных структур. Прикладная биохимия и микробиология, 2009, т. 45, № 2, с. 181-187. Loiko N.G., Mulyukin A.L., Kozlova A.N., Kaplun A.P., Sorokin V.V., Borzenkov I.A., Nikolaev Yu.A., Kaprelyants A.S., El-Registan G.I. Influence of hexylresorcin, a chemical analogue of microbial auto-inducers of suspended animation, on the stability of membrane structures. Applied Biochemistry and Microbiology, 2009, vol. 45, no. 2, pp. 181-187. (In Russ.) Кpупянcкий Ю.Ф., Нокc П.П., Лойко Н.Г., Абдулнаcыpов Э.Г., Коpотина О.А., Cтепанов C.А., Заxаpова Н.И., Николаев Ю.А., Эль-Pегиcтан Г.И., Pубин А.Б. Влияние химических шаперонов на свойства лизоцима и белка реакционного центра бактерий Rhodobacter sphaeroides. Биофизика, 2011, т. 56, № 1, с. 13-30. [ Krupyansky Yu.F., Knox P.P., Loiko N.G., Abdulnasyrov E.G., Korotina O.A., Stepanov C.A., Zakharova N.I., Nikolaev Yu.A., El-Registan G.I., Rubin A.B. Influence of chemical chaperones on the properties of lysozyme and protein of the reaction center of bacteria Rhodobacter sphaeroides. Biophysics, 2011, vol. 56, no. 1, pp. 13-30. (In Russ.) Grant R., Filman D., Finkel S. et al. The crystal structure of Dps, a ferritin homolog that binds and protects DNA. Nat Struct Mol Biol, 1998, vol. 5, pp. 294-303, doi: 10.1038/nsb0498-294. Grant R., Filman D., Finkel S. et al. The crystal structure of Dps, a ferritin homolog that binds and protects DNA. Nat Struct Mol Biol, 1998, vol. 5, pp. 294-303, doi: 10.1038/nsb0498-294. Aqvist J., Marelius J. The linear interaction energy method for predicting ligand binding free energies. Combinatorial chem. & high throughput screening, 2001, vol. 4, no. 8, pp. 613-626, doi: 10.2174/1386207013330661. Aqvist J., Marelius J. The linear interaction energy method for predicting ligand binding free energies. Combinatorial chem. & high throughput screening, 2001, vol. 4, no. 8, pp. 613-626, doi: 10.2174/1386207013330661. Amadei A., Linssen A.B., Berendsen H.J. Essential dynamics of proteins. Proteins, 1993, vol. 17, no. 4, pp. 412-425, doi: 10.1002/prot.340170408. Amadei A., Linssen A.B., Berendsen H.J. Essential dynamics of proteins. Proteins, 1993, vol. 17, no. 4, pp. 412-425, doi: 10.1002/prot.340170408.