شبیه‌سازی دینامیک مولکولی OmpF در غشا دولایه دوقلو: مطالعه رفتار متفاوت پروتئین OmpF در یک سیستم با حضور غلظت‌های یونی نامتقارن

نویسندگان

گروه بیوفیزیک، دانشکده علوم زیستی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

چکیده
یکی از پروتئین‌های غشای خارجی باکتری اشریشیا کلی (E. coli) OmpF است که امکان عبور یون‌ها را میسر می‌سازد. در سالیان اخیر روش‌های متنوع تجربی و تئوری برای مطالعه این پروتئین مورد استفاده قرار گرفته است. در این مطالعه به ‌منظور حفظ شرایط مرزی از دو غشای دولایه در یک جعبه شبیه‌سازی برای بررسی تغییرات کانال در حین عبور یون‌ها استفاده ‌شده است. غلظت‌های یونی متفاوت در دو طرف غشا اعمال ‌شده است تا شرایط شبیه‌سازی به شرایط واقعی باکتری بیشتر شباهت داشته باشد. در این شبیه‌سازی دو سیستم مشابه هم درون یک جعبه شبیه‌سازی قرار گرفته‌اند. برای بررسی بیشتر در این دو سیستم جهت‌گیری کانال پروتئینی نسب به شیب غلظت یونی در هر دو جهت اعمال ‌شده است. در این تحقیق به بررسی اینکه در انتقال یونی جهت‌گیری ارجح برای این کانال وجود دارد یا خیر پرداخته می‌شود. آنالیزهای ساختاری برای پروتئین در دو جهت‌گیری نشان‌دهنده تفاوت بین دو کانال است همچنین الگوهای مربوط به بررسی‌های ساختار دوم با وجود پیک‌های مشابه در برخی نقاط متفاوت بود. نتایج بررسی اسیدهای آمینه درون گذرگاه و حفره درون کانال نیز برای ساختار انتهایی پروتئین دوم متفاوت از ساختار انتهایی پروتئین اول بود. همچنین عبور یون در پروتئین دوم مشاهده نشد. نتایج نشانگر این است که یکی از کانال‌ها که جهت‌گیری آن مشابه با جهت‌گیری واقعی این کانال در غشای باکتری است در طول این شبیه‌سازی ۱۰۰نانوثانیه‌ای باز و عبور یون از آن قابل ‌مشاهده و پیگیری است، در حالی که کانال دیگر که جهت آن برعکس آنچه در طبیعت وجود دارد، بسته شده که نشان‌دهنده اثرات شیب غلظت یونی روی کانال است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Mori T, Miyashita N, Im W, Feig M, Sugita Y. Molecular dynamics simulations of biological membranes and membrane proteins using enhanced conformational sampling algorithms. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 2016;1858(7 Pt B):1635-51. [Link] [DOI:10.1016/j.bbamem.2015.12.032]
Housden NG, Hopper JTS, Lukoyanova N, Rodriguez-Larrea D, Wojdyla JA, Klein A, et al. Intrinsically disordered protein threads through the bacterial outer-membrane porin OmpF. Science. 2013;340(6140):1570-4. [Link] [DOI:10.1126/science.1237864]
Patel DS, Wu EL, Klebba PE, Im W. Molecular Dynamics simulation studies of interactions of E. coli-K12 with OmpF in outer membranes: Effects of LPS structures on monoclonal antibodies binding. Biophys J. 2015;108(2 Suppl 1):249A. [Link] [DOI:10.1016/j.bpj.2014.11.1377]
Khalili-Araghi F, Gumbart J, Wen PC, Sotomayor M, Tajkhorshid E, Schulten K. Molecular dynamics simulations of membrane channels and transporters. Curr Opin Struct Biol. 2009;19(2):128-37. [Link] [DOI:10.1016/j.sbi.2009.02.011]
Ash WL, Zlomislic MR, Oloo EO, Peter Tieleman D. Computer simulations of membrane proteins. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 2004;1666(1-2):158-89. [Link] [DOI:10.1016/j.bbamem.2004.04.012]
Gumbart J, Wang Y, Aksimentiev A, Tajkhorshid E, Schulten K. Molecular dynamics simulations of proteins in lipid bilayers. Curr Opin Struct Biol. 2005;15(4):423-31. [Link] [DOI:10.1016/j.sbi.2005.07.007]
Im W, Roux B. Ions and counterions in a biological channel: A molecular dynamics simulation of OmpF porin from Escherichia coli in an explicit membrane with 1 M KCl aqueous salt solution. J Mol Biol. 2002;319(5):1177-97. [Link] [DOI:10.1016/S0022-2836(02)00380-7]
Benz R, Bauer K. Permeation of hydrophilic molecules through the outer membrane of gram-negative bacteria, review on bacterial porins. Eur J Biochem. 1988;176(1):1-19. [Link] [DOI:10.1111/j.1432-1033.1988.tb14245.x]
Jap BK, Walian PJ. Biophysics of the structure and function of porins. Q Rev Biophys. 1990;23(4):367-403. [Link] [DOI:10.1017/S003358350000559X]
Nikaido H. Transport across the bacterial outer membrane. J Bioenerg Biomembr. 1993;25(6):581-9. [Link]
Cowan SW, Garavito RM, Jansonius JN, Jenkins JA, Karlsson R, König N, et al. The structure of OmpF porin in a tetragonal crystal form. Structure. 1995;3(10):1041-50. [Link] [DOI:10.1016/S0969-2126(01)00240-4]
Robertson KM, Tieleman DP. Molecular basis of voltage gating of OmpF porin. Biochem Cell Biol. 2002;80(5):517-23. [Link] [DOI:10.1139/o02-145]
Dutzler R, Rummel G, Albertí S, Hernández-Allés S, Phale P, Rosenbusch J, et al. Crystal structure and functional characterization of OmpK36, the osmoporin of Klebsiella pneumoniae. Structure. 1999;7(4):425-34. [Link] [DOI:10.1016/S0969-2126(99)80055-0]
Benz R, Schmid A, Hancock RE. Ion selectivity of gram-negative bacterial porins. J Bacteriol. 1985;162(2):722-7. [Link]
Saint N, Lou KL, Widmer C, Luckey M, Schirmer T, Rosenbusch JP. Structural and functional characterization of OmpF porin mutants selected for larger pore size. II. Functional characterization. J Biol Chem. 1996;271(34):20676-80. [Link] [DOI:10.1074/jbc.271.34.20676]
Suenaga A, Komeiji Y, Uebayasi M, Meguro T, Saito M, Yamato I. Computational observation of an ion permeation through a channel protein. Biosci Rep. 1998;18(1):39-48. [Link] [DOI:10.1023/A:1022292801256]
Tieleman DP, Berendsen HJ. A molecular dynamics study of the pores formed by Escherichia coli OmpF porin in a fully hydrated palmitoyloleoylphosphatidylcholine bilayer. Biophys J. 1998;74(6):2786-801. [Link] [DOI:10.1016/S0006-3495(98)77986-X]
Tieleman DP, Berendsen HJ, Sansom MS. An alamethicin channel in a lipid bilayer: Molecular dynamics simulations. Biophys J. 1999;76(4):1757-69. [Link] [DOI:10.1016/S0006-3495(99)77337-6]
Tieleman DP, Forrest LR, Sansom MS, Berendsen HJ. Lipid properties and the orientation of aromatic residues in OmpF, influenza M2, and alamethicin systems: Molecular dynamics simulations. Biochemistry. 1998;37(50):17554-61. [Link] [DOI:10.1021/bi981802y]
Nestorovich EM, Rostovtseva TK, Bezrukov SM. Residue ionization and ion transport through OmpF channels. Biophys J. 2003;85(6):3718-29. [Link] [DOI:10.1016/S0006-3495(03)74788-2]
Im W, Roux B. Ion permeation and selectivity of OmpF porin: A theoretical study based on molecular dynamics, Brownian dynamics, and continuum electrodiffusion theory. J Mol Biol. 2002;322(4):851-69. [Link] [DOI:10.1016/S0022-2836(02)00778-7]
Khalili Araghi F, Ziervogel B, Gumbart JC, Roux B. Molecular dynamics simulations of membrane proteins under asymmetric ionic concentrations. J Gen Physiol. 2013;142(4):465-75. [Link] [DOI:10.1085/jgp.201311014]
Pellegrini-Calace M, Maiwald T, Thornton JM. PoreWalker: A novel tool for the identification and characterization of channels in transmembrane proteins from their three-dimensional structure. PLoS Comput Biol. 2009;5(7):e1000440. [Link] [DOI:10.1371/journal.pcbi.1000440]
Petrek M, Otyepka M, Banás P, Kosinová P, Koca J, Damborský J. CAVER: A new tool to explore routes from protein clefts, pockets and cavities. BMC Bioinformatics. 2006;7:316. [Link] [DOI:10.1186/1471-2105-7-316]
Kutzner C, Köpfer DA, Machtens JP, De Groot BL, Song C, Zachariae U. Insights into the function of ion channels by computational electrophysiology simulations. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 2016;1858(7 Pt B):1741-52. [Link] [DOI:10.1016/j.bbamem.2016.02.006]
Ionescu SA, Lee S, Housden NG, Kaminska R, Kleanthous C, Bayley H. Orientation of the OmpF porin in planar lipid bilayers. Chembiochem. 2017;18(6):554-62. [Link] [DOI:10.1002/cbic.201600644]
Pezeshki S, Chimerel C, Bessonov AN, Winterhalter M, Kleinekathöfer U. Understanding ion conductance on a molecular level: An all-atom modeling of the bacterial porin OmpF. Biophys J. 2009;97(7):1898-906. [Link] [DOI:10.1016/j.bpj.2009.07.018]
Delemotte L, Dehez F, Treptow W, Tarek M. Modeling membranes under a transmembrane potential. J Phys Chem B. 2008;112(18):5547-50. [Link] [DOI:10.1021/jp710846y]
Gumbart J, Khalili Araghi F, Sotomayor M, Roux B. Constant electric field simulations of the membrane potential illustrated with simple systems. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 2012;1818(2):294-302. [Link] [DOI:10.1016/j.bbamem.2011.09.030]
Roux B. The membrane potential and its representation by a constant electric field in computer simulations. Biophys J. 2008;95(9):4205-16. [Link] [DOI:10.1529/biophysj.108.136499]
Sachs JN, Crozier PS, Woolf TB. Atomistic simulations of biologically realistic transmembrane potential gradients. J Chem Phys. 2004;121(22):10847-51. [Link] [DOI:10.1063/1.1826056]
Phale PS, Philippsen A, Widmer C, Phale VP, Rosenbusch JP, Schirmer T. Role of charged residues at the OmpF porin channel constriction probed by mutagenesis and simulation. Biochemistry. 2001;40(21):6319-25. [Link] [DOI:10.1021/bi010046k]
Niramitranon J, Sansom MS, Pongprayoon P. Why do the outer membrane proteins OmpF from E. coli and OprP from P. aeruginosa prefer trimers? simulation studies. J Mol Graph Model. 2016;65:1-7. [Link] [DOI:10.1016/j.jmgm.2016.02.002]