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:

Биофизика сложных многокомпонентных систем. Математическое моделирование. Биоинформатика

Динамика кристаллов ДНК-Dps в условиях обезвоживания

К.Б. Терешкина1*, Э.В. Терешкин1, Н.Г. Лойко2, В.В. Коваленко1, Ю.Ф. Крупянский1

1.ФИЦ ХФ РАН;
2.ФИЦ Биотехнологии РАН;

* quebra-mola(at)yandex.ru

Рост бактериальной колонии претерпевает множественные виды стресса и подстраивает свой жизненный цикл под существующие условия окружающей среды. Выживаемость бактерий в неблагоприятных условиях во многом определяется способностью бактерии сохранить неповреждённым свой генетический материал, главным образом – нуклеоидную ДНК. При наступлении неблагоприятных условий, рост колонии замедляется, она вступает в стационарную фазу роста, в которой начинают вырабатываться особые ДНК-стабилизирующие белки Dps (DNA-binding protein from starved cells), обеспечивающие образование кристаллов внутри клетки [1-2]. Белки Dps представляют собой гомододекамеры с полостью внутри. Расположение субъединиц таково, что белок относится к точечной группе симметрии T (23 по международной классификации). Из-за способности связывать ионы железа, инактивировать их и накапливать во внутрибелковой полости, семейство белков DPS относится к суперсемейству ферритина. Концевые участки всех субъединиц чрезвычайно лабильны и способны связывать ДНК. Кристаллизация белка Dps приводит к возникновению внутриклеточных кристаллов ДНК-Dps. Гомологи Dps были идентифицированы у многих бактерий и архей. Однако до сих пор не изучены молекулярные механизмы, позволяющие этим белкам защищать ДНК.

В данной работе методами молекулярной динамики рассматриваются процессы образования и эволюции сокристаллов ДНК с белком Dps бактерии Escherichia coli (PDB ID: 6GCM). Исследована динамика нанокристаллов Dps-ДНК при высушивании, сопровождающемся уменьшением процентного содержания воды и повышением ионной силы раствора. Начальные концентрации ионов соответствовали цитоплазме клетки E. coli. В качестве контроля изучены: 1) кристаллы Dps-ДНК в растворе с противоионами, 2) свободная ДНК в растворах. Расчёты проведены с использованием крупнозернистого представления молекул в Gromacs. Участок кристалла содержал 15 додекамеров Dps. Участок ДНК содержал 165 пар нуклеотидов (ген yhis, предположительно обладающий высокой адсорбционной способностью к белку Dps [3]). Расчёты динамики систем проводились в периодических граничных условиях при постоянном числе частиц, температуре и давлении в процессе одного расчёта. Шаг интегрирования составлял 10 фс, длина траекторий – 0.1 мкс для всех систем, кроме сильно обезвоженных. Длина траектории таких систем сокращена до 0.03 мкс из-за более быстрого выхода исследуемых параметров на плато. Температура 300 К поддерживалась с помощью ланжевеновского термостата (постоянная времени - 1 пс). Давление поддерживалось с помощью баростата Парринелло-Рамана (постоянная времени - 4 пс, давление – 1 бар, изотермическая сжимаемость воды 3.0*10^4 бар^-1). Радиусы обрезания для кулоновских и ван-дер-ваальсовых взаимодействий брались равными 1.2 нм. Диэлектрическая проницаемость среды была равна 15 для обеспечения явного экранирования. Количество молекул воды изменялось от 100% - необезвоженная система. Первой стадии обезвоживания отвечало снижение количества молекул воды до 75%, второй стадии – до 50%, третьей стадии – до 25%, четвертой стадии – до 10%. Пятая стадия обезвоживания характеризовалась присутствием исключительно связанной воды. Были получены пространственные и энергетические характеристики систем. Анализ главных компонент позволил оценить различия в динамике Dps и участков ДНК в процессе обезвоживания.

Было выявлено, что при нормальном (100%) и близком к нормальному (75%) количествах молекул воды нанокристаллы сохраняют свою структуру и практически идентичны. ДНК внутри кристалла подстраивалась под форму каналов. Концевые участки ДНК, лежащие вне каналов, а также свободная ДНК в растворе не претерпевали значительных конформационных изменений. При уменьшении количества воды в системе на 50%, начинали проявляться эффекты обезвоживания. Диаметр молекул Dps оставался неизменным, происходило сближение и взаимодействие молекул Dps, не контактировавших друг с другом в нативных кристаллах. На этом этапе обезвоживания начинали возникать дефекты кристалла. Дефекты могли как самоустраняться, так и расти по мере расчёта. ДНК внутри кристалла оказывалась стабилизированной, подстроившись под внутреннее окружение каналов. Однако в лежащих вне кристалла участках молекул ДНК начинали появляются изломы. При уменьшении количества воды в системе до 25% и ниже, ядро кристалла, образованное внутренними молекулами Dps, продолжало уплотняться. На этой стадии уплотнение происходило как за счёт сближения молекул Dps, так и сжатия додекамеров. Наблюдался отрыв некоторых поверхностных молекул Dps. Сжатие молекул Dps возникало вследствие выхода наружу молекул воды, находившихся в полости додекамера. Этот эффект проявлялся и при высокой, и при низкой концентрациях ионов, и был, по-видимому, обусловлен локальным повышением ионной концентрации на поверхности додекамеров. ДНК внутри кристалла не претерпевала существенных изменений. Свободные участки ДНК сжимались либо адсорбировались на поверхности нанокристалла. Дальнейшее уменьшение количества воды незначительно затрагивало форму молекул и кристаллов Dps с лежащей внутри ДНК, но вызывало существенные конформационные изменения свободных участков ДНК. Появлялись изломы и изгибы способные привести к деградации структуры ДНК. Было показано, что в процессе обезвоживания молекулы Dps оказывают критическое влияние на сохранность ДНК и способны сохранить нативную структуру ДНК во внутренних каналах кристалла.

Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (соглашение № 23-24-00250). Расчеты проводились на высокопроизводительной вычислительной системе МВС-10П в Межведомственном суперкомпьютерном центре Российской академии наук (МСЦ РАН).

Литература:

1. Tereshkin E., Tereshkina K., Loiko N. et al. // J Biomol Struct Dyn. 2018. V. 37. P. 2600.

2. Терешкин Э. В., Терешкина К. Б., Коваленко В. В. и др. // Химическая физика. 2019. V. 38. № 40. С. 48.

3. Antipov S.S., Tutukina M.N., Preobrazhenskaya E.V. et al. // PLoS One. 2017 Aug 11;12(8):e0182800. doi: 10.1371/journal.pone.0182800.

Dynamics of DNA-Dps crystals under dehydration conditions

K.B. Tereshkina1*, E.V. Tereshkin1, N.G. Loiko2, V.V. Kovalenko1, Y.F. Krupyanskii1

1.N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics Russian Academy of Sciences;
2.Federal Research Centre “Fundamentals of Biotechnology” of the Russian Academy of Sciences;

* quebra-mola(at)yandex.ru

The growth of a bacterial colony undergoes multiple types of stress and adjusts its life cycle to the existing environmental conditions. The survival of bacteria under adverse conditions is largely determined by the ability of the bacterium to keep intact its genetic material, mainly nucleoid DNA. When unfavorable conditions occur, the growth of the colony slows down, it enters the stationary phase of growth, in which special DNA-stabilizing proteins Dps (DNA-binding protein from starved cells) begin to be produced [1-2]. Dps are homododecamers with a cavity inside. The point symmetry group is 23. Due to the ability to bind iron ions, inactivate them and accumulate in the intraprotein cavity, the Dps protein family belongs to the ferritin superfamily. The termini of all subunits are extremely labile and bind DNA. Crystallization of the Dps protein results in the formation of intracellular DNA-Dps crystals. Dps homologues have been identified in many bacteria and archaea. However, the molecular mechanisms that allow these proteins to protect DNA have not yet been studied.

In this work, the processes of formation and evolution of DNA-Dps co-crystals of the bacterium Escherichia coli (PDB ID: 6GCM) are considered by molecular dynamics methods. The dynamics of Dps-DNA nanocrystals during drying, accompanied by a decrease in the percentage of water and an increase in the ionic strength of the solution, was studied. The initial concentrations of ions corresponded to the cytoplasm of the E. coli cell. As a control, the following systems were studied: 1) Dps-DNA crystals in solution with counterions, 2) free DNA in solutions. The calculations were carried out using the coarse-grained representation of molecules in Gromacs. The crystal contained 15 Dps and DNA of 165 bp (the yhis gene, presumably having a high adsorption capacity for the Dps protein [3]). Simulations were carried out in periodic box at a constant number of particles, temperature and. The integration step was 10 fs, the trajectory length was 0.1 µs for all systems, except for strongly dehydrated ones. The trajectory length of such systems is reduced to 0.03 μs due to the faster plateauing of the studied parameters. The temperature of 300 K was maintained using a Langevin thermostat (t=1 ps). The pressure was maintained using a Parrinello-Raman barostat (t=4 ps, p=1 bar, isothermal compressibility of water was 3.0*10^4 bar^-1). The cutoff radii for the Coulomb and van der Waals interactions were taken to be 1.2 nm. The dielectric constant of the medium was equal to 15 to provide clear shielding. The number of water molecules varied from 100% for non-dehydrated system. The first stage of dehydration corresponded to a decrease in the number of water molecules up to 75%, the second stage up to 50%, the third stage up to 25%, the fourth stage up to 10%. The fifth stage of dehydration was characterized by the presence of exclusively bound water. The spatial and energy characteristics of the systems were obtained. Principal component analysis made it possible to evaluate the differences in the dynamics of Dps and DNA during dehydration.

It was found that at normal (100%) and close to normal (75%) amounts of water molecules, the nanocrystals retain their structure and are almost identical. The DNA inside the crystal adjusted to the shape of the channels. The terminal regions of DNA lying outside the channels, as well as free DNA in solution, did not undergo significant conformational changes. With a decrease in the amount of water in the system by 50%, dehydration effects began to appear. The diameter of Dps molecules remained unchanged, and the approach and interaction of Dps molecules that did not contact each other in native crystals took place. At this stage of dehydration, crystal defects began to appear. Defects could both eliminate themselves and grow as the calculation proceeds. The DNA inside the crystal turned out to be stabilized, adjusting to the internal environment of the channels. However, kinks began to appear in the regions of the DNA molecules lying outside the crystal. With a decrease in the amount of water in the system to 25% or less, the crystal core formed by internal Dps molecules continued to densify. At this stage, densification occurred both due to the approach of Dps molecules and a change in the diameter (compression) of the dodecamers themselves. Detachment of some surface Dps molecules was observed. The compression of Dps molecules arose due to the release of water molecules that were in the cavity of the dodecamer. This effect manifested itself at both high and low ion concentrations and was apparently due to a local increase in the ion concentration on the surface of the dodecamers. The DNA inside the crystal did not undergo significant changes. Free DNA regions were compressed or adsorbed on the surface of the nanocrystal. A further decrease in the amount of water only slightly affected the shape of Dps molecules and crystals with DNA inside them, but caused significant conformational changes in free DNA regions. There were kinks and bends that could lead to degradation of the DNA structure. It was shown that, during dehydration, Dps molecules have a critical effect on the preservation of DNA and are able to preserve the native DNA structure in the internal channels of the crystal.

The work was performed under a grant from the Russian Science Foundation (no. 23-24-00250). The calculations were carried out on the MVS-10P high-performance computer system at the Interdepartmental Supercomputer Center of the Russian Academy of Sciences (MSC RAS).

Literature:

1. Tereshkin E., Tereshkina K., Loiko N. et al. // J Biomol Struct Dyn. 2018. V. 37. P. 2600.

2. Tereshkin E.V., Tereshkina K.B., Kovalenko V.V. et al // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2019. Т. 13. № 5. С. 769

3. Antipov S.S., Tutukina M.N., Preobrazhenskaya E.V. et al. //PLOS One. 2017 Aug 11;12(8):e0182800. doi: 10.1371/journal.pone.0182800.


Докладчик: Терешкина К.Б.
249
2023-01-24

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists