Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54576 Моделирование в биофизике Modelling in biophycis Моделирование в биофизике Orcinol migration through model membranes of Escherichia coli Миграция орцинола через модельные мембраны Escherichia coli Терешкин Э. В. Tereshkin E. V. ramm@mail.ru Терешкина К. Б. Tereshkina K. B. ksenia.tereshkina@chph.ras.ru 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 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 12 2020 25 12 2020 5 4 619 622 20 12 2020 20 12 2020 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54576/view

В работе методами классической молекулярной динамики исследуется влияние орцинола (3,5-дигидрокситолуола; 5-метилрезорцина) на модельные мембраны грамотрицательной бактериальной клетки Escherichia coli и миграция молекул орцинола через модельные мембраны и через поры внешней мембраны, образованные поринами. Оба слоя внутренней мембраны и внутренний монослой внешней мембраны смоделированы как смешанные слои 75% POPE / 25% POPG. Наружний монослой внешней мембраны состоит из липополисахаридов. Исследована динамика модельных мембран в присутствии орцинола. С помощью потенциала средней силы определены профили свободной энергии миграции молекулы орцинола через канал порина внешней мембраны и плазматическую мембрану. Обнаружено, что основным механизмом миграции молекул орцинола через мембраны являются непосредственно бислои. Показано, что молекулы орцинола могут как проникать внутрь клетки через мембраны и взаимодействовать с внутриклеточными структурами, так и легко встраиваться в бислои, изменяя их физико-химические параметры.

In this work, the influence of orcinol (3,5-dihydroxytoluene; 5-methylresorcinol) on model membranes of a gram-negative bacterial cell of Escherichia coli and the migration of orcinol molecules through model membranes and through the pores of the outer membrane formed by porins were investigated using the methods of classical molecular dynamics. Both the inner membrane leaflets and the inner leaflet of the outer membrane were modeled as mixed layers of 75% POPE / 25% POPG lipids. The outer leaflet of the outer membrane was composed of lipopolysaccharides. The dynamics of model membranes in the presence of orcinol was studied. Using the potential of mean force, the free energy profiles of migration of the orcinol molecule through the porin channel and the membrane were determined. It was found that the main mechanism of migration of orcinol molecules into the cell is diffusion through bilayers. It has been shown that orcinol molecules can both penetrate into the cell through membranes for interaction with intracellular structures, and can easily integrate into bilayers, changing their physicochemical parameters.

 5-метилрезорцин орцинол мембрана E. coli молекулярная динамика миграция малых молекул через бактериальную мембрану 5-methylresorcinol orcinol E. coli membrane molecular dynamics migration of small molecules through the bacterial membrane Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (Тема 0082-2019-0015, № AAAA-A20-120031490003-7, Тема 0104-2019-0005). Расчеты проводились на высокопроизводительной вычислительной системе МВС-10П в Межведомственном суперкомпьютерном центре Российской академии наук (МСЦ РАН), проект CHPH2.

Крупянский Ю.Ф., Нокс П.П., Лойко Н.Г. и др. Влияние химических шаперонов на свойства лизоцима и белка реакционного центра бактерий Rhodobacter sphaeroides. Биофизика, 2011, т. 56, № 1, c. 13-30. @@Krupyanskij Yu.F., Noks P.P., Lojko N.G. et al. Vliyanie himicheskih shaperonov na svojstva lizocima i belka reakcionnogo centra bakterij Rhodobacter sphaeroides. Biofizika, 2011, vol. 56, no. 1, pp. 13-30. (In Russ.) Krupyanskiy Yu.F., Noks P.P., Loyko N.G. i dr. Vliyanie himicheskih shaperonov na svoystva lizocima i belka reakcionnogo centra bakteriy Rhodobacter sphaeroides. Biofizika, 2011, t. 56, № 1, c. 13-30. @@Krupyanskij Yu.F., Noks P.P., Lojko N.G. et al. Vliyanie himicheskih shaperonov na svojstva lizocima i belka reakcionnogo centra bakterij Rhodobacter sphaeroides. Biofizika, 2011, vol. 56, no. 1, pp. 13-30. (In Russ.) Терешкина К.Б., Степанов А.С., Синицын Д.О., Крупянский Ю.Ф. Влияние малых лигандов и их комплексов на свойства белка лизоцима. Химическая физика, 2014, т. 33, № 7, c. 64-73. @@Tereshkina K.B., Stepanov A.S., Sinicyn D.O., Krupyanskij YU.F. Vliyanie malyh ligandov i ih kompleksov na svojstva belka lizocima. Himicheskaya fizika, 2014, vol. 33, no. 7, pp. 64-73. (In Russ.) Tereshkina K.B., Stepanov A.S., Sinicyn D.O., Krupyanskiy Yu.F. Vliyanie malyh ligandov i ih kompleksov na svoystva belka lizocima. Himicheskaya fizika, 2014, t. 33, № 7, c. 64-73. @@Tereshkina K.B., Stepanov A.S., Sinicyn D.O., Krupyanskij YU.F. Vliyanie malyh ligandov i ih kompleksov na svojstva belka lizocima. Himicheskaya fizika, 2014, vol. 33, no. 7, pp. 64-73. (In Russ.) Granovsky A.A. Firefly version 8. www http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html Granovsky A.A. Firefly version 8. www http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic structure system. J.Comput.Chem., 1993, vol. 14, pp. 1347-1363. DOI: 10.1002/jcc.540141112. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic structure system. J.Comput.Chem., 1993, vol. 14, pp. 1347-1363. DOI: 10.1002/jcc.540141112. Foresman J.B., Frisch A. Exploring chemistry with electronic structure methods 2ed. Gaussian, Inc. Pittsburgh, PA, 1996, pp. 107-116. Foresman J.B., Frisch A. Exploring chemistry with electronic structure methods 2ed. Gaussian, Inc. Pittsburgh, PA, 1996, pp. 107-116. Warren E. Levinson, Review of Medical Microbiology and Immunology, 11th Edition. Publisher: McGraw-Hill Medical, 2010, 640 p. Warren E. Levinson, Review of Medical Microbiology and Immunology, 11th Edition. Publisher: McGraw-Hill Medical, 2010, 640 p. Sohlenkamp C., Geiger O. Bacterial membrane lipids: diversity in structures and pathways. FEMS Microbiology Reviews, 2016, vol. 40, iss. 1, pp. 133-159. DOI: 10.1093/femsre/fuv008. Sohlenkamp C., Geiger O. Bacterial membrane lipids: diversity in structures and pathways. FEMS Microbiology Reviews, 2016, vol. 40, iss. 1, pp. 133-159. DOI: 10.1093/femsre/fuv008. Lee J., Cheng X., Swails J.M., Yeom M.S., Eastman P.K., Lemkul J.A., Wei S., Buckner J., Jeong J.C., Qi Y., Jo S., Pande V.S., Case D.A., Brooks C.L. III, MacKerell A.D. Jr, Klauda J.B., Im W. CHARMM-GUI Input Generator for NAMD, GROMACS, AMBER, OpenMM, and CHARMM/OpenMM Simulations using the CHARMM36 Additive Force Field. J. Chem. Theory Comput., 2016, vol. 12, pp. 405-413. DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00935. Lee J., Cheng X., Swails J.M., Yeom M.S., Eastman P.K., Lemkul J.A., Wei S., Buckner J., Jeong J.C., Qi Y., Jo S., Pande V.S., Case D.A., Brooks C.L. III, MacKerell A.D. Jr, Klauda J.B., Im W. CHARMM-GUI Input Generator for NAMD, GROMACS, AMBER, OpenMM, and CHARMM/OpenMM Simulations using the CHARMM36 Additive Force Field. J. Chem. Theory Comput., 2016, vol. 12, pp. 405-413. DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00935. Oursel D., Loutelier-Bourhis C., Orange N., Chevalier S., Norris V., Lange C.M. Lipid composition of membranes of Escherichia coli by liquid chromatography/tandem mass spectrometry using negative electrospray ionization. Rapid Commun. Mass Spectrom., 2007, vol. 21, no. 20, pp. 1721-1728. DOI: 10.1002/rcm.3013. Oursel D., Loutelier-Bourhis C., Orange N., Chevalier S., Norris V., Lange C.M. Lipid composition of membranes of Escherichia coli by liquid chromatography/tandem mass spectrometry using negative electrospray ionization. Rapid Commun. Mass Spectrom., 2007, vol. 21, no. 20, pp. 1721-1728. DOI: 10.1002/rcm.3013. Oursel D., Loutelier-Bourhis C., Orange N., Chevalier S., Norris V., Lange C.M. Identification and Relative Quantification of Fatty Acids in Escherichia Coli Membranes by Gas Chromatography/Mass Spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom, 2007, vol. 21, no. 20, pp. 3229-3233. DOI: 10.1002/rcm.3177. Oursel D., Loutelier-Bourhis C., Orange N., Chevalier S., Norris V., Lange C.M. Identification and Relative Quantification of Fatty Acids in Escherichia Coli Membranes by Gas Chromatography/Mass Spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom, 2007, vol. 21, no. 20, pp. 3229-3233. DOI: 10.1002/rcm.3177. Frauenfeld J., Gumbart J., van der Sluis E.O., Funes S., Gartmann M., Beatrix B., Mielke T., Berninghausen O., Becker T., Schulten K., Beckmann R., Cryo E.M. structure of the ribosome-SecYE complex in the membrane environment. Nat. Struct. Mol. Biol, 2011, vol. 18, pp. 614-621. Frauenfeld J., Gumbart J., van der Sluis E.O., Funes S., Gartmann M., Beatrix B., Mielke T., Berninghausen O., Becker T., Schulten K., Beckmann R., Cryo E.M. structure of the ribosome-SecYE complex in the membrane environment. Nat. Struct. Mol. Biol, 2011, vol. 18, pp. 614-621. Hess B., Kutzner C., van der Spoel D., Lindahl E. GROMACS 4: Algorithms for Highly Efficient, Load-Balanced, and Scalable Molecular Simulation. J. Chem. Theory Comput., 2008, vol. 4, pp. 435, DOI: 10.1021/ct700301q. Hess B., Kutzner C., van der Spoel D., Lindahl E. GROMACS 4: Algorithms for Highly Efficient, Load-Balanced, and Scalable Molecular Simulation. J. Chem. Theory Comput., 2008, vol. 4, pp. 435, DOI: 10.1021/ct700301q. Ivani I., Dans P.D., Noy A. et al. Parmbsc1: a refined force field for DNA simulations. Nat Methods, 2015, vol. 13, no. 1, p. 55. DOI : 10.1038/nmeth.3658. Ivani I., Dans P.D., Noy A. et al. Parmbsc1: a refined force field for DNA simulations. Nat Methods, 2015, vol. 13, no. 1, p. 55. DOI : 10.1038/nmeth.3658. Yildiz O., Vinothkumar K.R., Goswami P., Kühlbrandt W. Structure of the monomeric outer-membrane porin OmpG in the open and closed conformation [published correction appears in EMBO J. 2006 Nov 1;25(21):5240]. EMBO J., 2006, vol. 25, no. 15, pp. 3702-3713. DOI: 10.1038/sj.emboj.7601237. Yildiz O., Vinothkumar K.R., Goswami P., Kühlbrandt W. Structure of the monomeric outer-membrane porin OmpG in the open and closed conformation [published correction appears in EMBO J. 2006 Nov 1;25(21):5240]. EMBO J., 2006, vol. 25, no. 15, pp. 3702-3713. DOI: 10.1038/sj.emboj.7601237.