VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Молекулярная биофизика. Структура и динамика биополимеров и биомакромолекулярных систем

Молекулярное моделирование как инструмент изучения молекулярных механизмов антибактериального и антивирусного действия катионных фотосенсибилизаторов

Е.Г. Холина1*, В.А. Федоров1, С.С. Хрущев1, И.Б. Коваленко1,2, М.Г. Страховская1,2, А.Б. Рубин1

1.Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия;
2.Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий ФМБА России, Москва, Россия;

* tenarra(at)mail.ru

Одним из подходов для борьбы с патогенами, устойчивыми к традиционным антимикробным препаратам, является фотодинамическая инактивация, в которой используются фотоактивируемые биоциды – фотосенсибилизаторы. Помимо бактерицидного действия, катионные фотосенсибилизаторы высоко эффективны в отношении оболочечных вирусов, мембраны которых происходят из мембран клетки-хозяина. Одним из наиболее эффективных фотосенсибилизаторов в отношении инактивации широкого ряда микроорганизмов является октакис(холинил)фталоцианин цинка (ФЦ). Целью данной работы было изучение межмолекулярных взаимодействий при связывании ФЦ с компонентами оболочек микроорганизмов и их переносе через мембранные структуры микроорганизмов.

Для изучения молекулярных механизмов, лежащих в основе антибактериальной активности ФЦ, был применен метод крупнозернистой молекулярной динамики. С помощью метода зонтичной выборки было показано сродство молекул ФЦ к модельным бактериальным мембранам и описан процесс переноса ФЦ через модельные бислои. В результате энергетически выгодного проникновения ФЦ через модельную внешнюю липополисахаридную бактериальную мембрану наблюдалось образование водной поры и деформация бислоя. В ходе последующего равновесного расчета молекулярной динамики с добавлением десяти молекул ФЦ к бислою в состоянии энергетического минимума была подтверждена гипотеза о самоиндуцированном проникновении ФЦ внутрь бактериальной липополисахаридной мембраны, объясняющая природу антибактериальной активности данной группы фотосенсибилизаторов [1].

Для объяснения вирулицидной активности катионных фотосенсибилизаторов и идентификации сайтов их связывания с компонентами вирусной оболочки было построено распределение электростатического потенциала и проведены расчеты броуновской динамики как для моделей отдельных S-белков коронавирусов [2,3], так и для целого вириона SARS-CoV-2 [4]. С помощью метода броуновской динамики были получены диффузионно-столкновительные электростатически выгодные комплексы фотосенсибилизаторов с S-белками коронавирусов. Для молекул фотосенсибилизаторов было показано наличие общего сайта связывания со всеми исследованными спайковыми белками SARS-CoV, MERS-CoV, SARS-CoV-2, расположенного в области соединения «ноги» и «головы» на расстоянии около 10 нм от вирусной мембраны. Поскольку диффузионное расстояние синглетного кислорода, который генерируется молекулами фотосенсибилизатора, составляет 10-55 нм, он может вызвать окислительное повреждение как самих спайковых белков, так и липидного бислоя вирионов, в результате чего происходит инактивация вируса.

Следующим этапом исследования было изучение взаимодействия ФЦ с целой моделью оболочки SARS-CoV-2. Для этой цели была использована крупнозернистая модель [5], созданная группами под руководством S.J. Marrink и D. Korkin. Рассчитанная нами электростатическая карта оболочки вириона SARS-CoV-2 демонстрировала крайне неоднородное поле электростатического потенциала с большими чередующимися областями положительного и отрицательного потенциала. Чтобы выяснить, с какими компонентами вирусной оболочки SARS-CoV-2 связываются молекулы ФЦ, было проведено сорок тысяч независимых расчетов броуновской динамики молекулы ФЦ относительно неподвижной оболочки вируса. В 43% полученных диффузионно-столкновительных комплексов молекулы ФЦ были связаны с мембранными белками SARS-CoV-2. Среди них около 80 % образовывали электростатические контакты с S-белками. В остальных 57% комплексов молекулы ФЦ не имели тесных контактов с мембранными белками, а были связаны только с отрицательно заряженными липидами. Таким образом, все отрицательно заряженные компоненты оболочки притягивают молекулы фотосенсибилизатора и являются потенциальными мишенями для синглетного кислорода, образующегося в фотосенсибилизированных реакциях. Результаты, полученные с применением методов компьютерного моделирования, согласуются с наблюдаемой в экспериментальных исследованиях потерей S-белков и разрушением мембраны в результате фотодинамической инактивации коронавируса.

Применение методов компьютерного моделирования позволило описать конкретные пути переноса катионных фотосенсибилизаторов через бактериальную клеточную стенку и выявить области связывания молекул данного класса биоцидов на оболочке коронавирусов. Знание молекулярных деталей, лежащих в основе вирулицидной и бактерицидной активности соединений, способствует их рациональному применению в медицинских целях и служит основой для успешного дизайна новых эффективных антимикробных агентов.



Литература



1. Orekhov P. S. Molecular mechanism of uptake of cationic photoantimicrobial phthalocyanine across bacterial membranes revealed by molecular dynamics simulations / P. S. Orekhov, E. G. Kholina, M. E. Bozdaganyan, A. M. Nesterenko, I. B. Kovalenko, M. G. Strakhovskaya // J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122. № 14. P. 3711—3722.

2. Sharshov K. The photosensitizer octakis (Cholinyl) zinc phthalocyanine with ability to bind to a model spike protein leads to a loss of SARS-CoV-2 infectivity in vitro when exposed to far-red LED / K. Sharshov, M. Solomatina, O. Kurskaya, I. Kovalenko, E. Kholina, V. Fedorov, G. Meerovich, A. Rubin, M. Strakhovskaya // Viruses. 2021. V. 13. № 4. P. 643.

3. Fedorov V. What Binds Cationic Photosensitizers Better: Brownian Dynamics Reveals Key Interaction Sites on Spike Proteins of SARS-CoV, MERS-CoV, and SARS-CoV-2 / V. Fedorov, E. Kholina, S. Khruschev, I. Kovalenko, A. Rubin, M. Strakhovskaya // Viruses. 2021. V. 13. № 8. P. 1615.

4. Fedorov V. Electrostatic Map of the SARS-CoV-2 Virion Specifies Binding Sites of the Antiviral Cationic Photosensitizer / V. Fedorov, E. Kholina, S. Khruschev, I. Kovalenko, A. Rubin, M. Strakhovskaya // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 13. P. 7304.

5. Pezeshkian W. Molecular architecture and dynamics of SARS-CoV-2 envelope by integrative modeling / W. Pezeshkian, F. Grünewald, O. Narykov, S. Lu, T.A. Wassenaar, S.J. Marrink, D. Korkin // bioRxiv. 2022. P. 2021.09.

Molecular modelling for studying molecular mechanisms of antibacterial and antiviral activity of cationic photosensitizers

E.G. Kholina1*, V.A. Fedorov1, S.S. Khruschev1, I.B. Kovalenko1,2, M.G. Strakhovskaya1,2, A.B. Rubin1

1.Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia;
2.Federal Scientific and Clinical Center of Specialized Types of Medical Care and Medical Technologies, Federal Medical and Biological Agency of Russia, Moscow, Russia;

* tenarra(at)mail.ru

Photodynamic inactivation, which uses photoactivated biocides – photosensitizers, is an approach to combat antimicrobial-resistant pathogens. In addition to their bactericidal action, cationic photosensitizers are highly effective against enveloped viruses. Octakis(cholinyl)zinc phthalocyanine (PC) is one of the most effective photosensitizers against a broad spectrum of pathogens including enveloped viruses. The aim of this work was to study intermolecular interactions during the binding of PCs to the envelope components and its transport through the membrane structures of microorganisms.

To study the molecular nature underlying the antibacterial activity of PC, coarse-grained molecular dynamics was applied. Using the umbrella sampling technique, we described the process of PC translocation through bacterial membranes and demonstrated high affinity of PC to bacterial membranes. We found out that this process is energetically favorable and leads to overall disturbance of the model bilayer and formation of the aqueous pore. The results of our simulations confirmed the hypothesis of PC “self-promoted uptake” inside the outer bacterial lipopolysaccharide membrane and explained the molecular nature of PC antibacterial activity [1].

To study the antiviral activity of cationic photosensitizers and identify their binding sites on the viral envelope, we calculated distribution of electrostatic potential on the surface of S proteins of three coronaviruses [2,3] and the whole SARS-CoV-2 [4] and performed Brownian dynamics calculations. We obtained several thousand of electrostatically favorable encounter complexes of PC molecule with each of the coronavirus S protein and reveal the major binding site for all S proteins, located at the junction of the “stem” and the “head” at a distance of about 10 nm from the viral membrane. Since the diffusion distance of singlet oxygen generated by PS is 10–55 nm, it can cause oxidative damage to both the S proteins themselves and the lipid bilayer of virions, and thereby virus inactivation.

The next stage of the study was to study the interaction of PC with the whole model of the SARS-CoV-2 envelope. Using a coarse-grained model of the entire viral envelope developed by D. Korkin and S.-J. Marrink’s scientific groups [5], we created an electrostatic map of the external surface of SARS-CoV-2 and found a highly heterogeneous distribution of the electrostatic potential field of the viral envelope [5]. Numerous negative patches originate mainly from negatively charged lipid molecules POPI (-1), POPS (-1), CDL2 (-2) and negatively charged amino acids of S proteins. To investigate which components of SARS-CoV-2 viral membrane attract PC molecule, we performed 40 thousand independent Brownian dynamics simulations of PC molecule relative to immobile viral envelope. About 43% of the PC molecules were found in encounter complexes with proteins of viral envelope. Among them, about 80% formed electrostatic contacts with S proteins. In the remaining 57% of the complexes of PC molecules, close contacts with membrane proteins are not required, and they were bound to negatively charged lipids only. Thus, all negatively charged components attract photosensitizer molecules and are potential targets for singlet oxygen generated by PS molecules. The theoretical results obtained by computer modelling are consistent with the previously observed spike loss and membrane destruction, as a result of the photodynamic inactivation of the coronavirus with the same PS. Thus, the study of the detailed electrostatic map of the whole virion using a computer model provides unique opportunities to reveal the binding sites of charged molecules on the surface of the virus.

Application of computer modeling methods made it possible to describe specific pathways for the transfer of cationic photosensitizers through the bacterial cell wall and to identify the binding areas of photosensitizers on the viral envelope. Knowledge of the molecular details underlying the antiviral and antibacterial activity of biocides contributes to their rational use for medical purposes and necessary for the design of new effective antimicrobial compounds.



References



1. Orekhov P. S. Molecular mechanism of uptake of cationic photoantimicrobial phthalocyanine across bacterial membranes revealed by molecular dynamics simulations / P. S. Orekhov, E. G. Kholina, M. E. Bozdaganyan, A. M. Nesterenko, I. B. Kovalenko, M. G. Strakhovskaya // J. Phys. Chem. B. 2018. V. 122. № 14. P. 3711—3722.

2. Sharshov K. The photosensitizer octakis (Cholinyl) zinc phthalocyanine with ability to bind to a model spike protein leads to a loss of SARS-CoV-2 infectivity in vitro when exposed to far-red LED / K. Sharshov, M. Solomatina, O. Kurskaya, I. Kovalenko, E. Kholina, V. Fedorov, G. Meerovich, A. Rubin, M. Strakhovskaya // Viruses. 2021. V. 13. № 4. P. 643.

3. Fedorov V. What Binds Cationic Photosensitizers Better: Brownian Dynamics Reveals Key Interaction Sites on Spike Proteins of SARS-CoV, MERS-CoV, and SARS-CoV-2 / V. Fedorov, E. Kholina, S. Khruschev, I. Kovalenko, A. Rubin, M. Strakhovskaya // Viruses. 2021. V. 13. № 8. P. 1615.

4. Fedorov V. Electrostatic Map of the SARS-CoV-2 Virion Specifies Binding Sites of the Antiviral Cationic Photosensitizer / V. Fedorov, E. Kholina, S. Khruschev, I. Kovalenko, A. Rubin, M. Strakhovskaya // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 13. P. 7304.

5. Pezeshkian W. Molecular architecture and dynamics of SARS-CoV-2 envelope by integrative modeling / W. Pezeshkian, F. Grünewald, O. Narykov, S. Lu, T.A. Wassenaar, S.J. Marrink, D. Korkin // bioRxiv. 2022. P. 2021.09.



Докладчик: Холина Е.Г.
131
2022-12-28

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists