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Comparative MD simulation studies of three metallo-β-lactamases from antibiotic-resistant bacteria
Klara Pribanova
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Biologische Chemie
Betreuer*in
Stefan Boresch
DOI
10.25365/thesis.74720
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16995.22131.149814-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Antimikrobielle Resistenz ist eine ernste, aktuelle Krise, die weltweit eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit darstellt. Die sogenannten Metallo-β-Lactamasen sind eine Klasse von Enzymen, die Bakterien zu antimikrobieller Resistenz verhelfen. Diese Enzyme nutzen Zn-Ionen in ihrem aktiven Zentrum, um die Spaltung des β-Lactamrings zu katalysieren, der in allen β-Lactam-Antibiotika vorkommt. Sie gelten als eine große Gefahr im Zusammenhang mit der antimikrobiellen Resistenz, vor allem weil es derzeit keine wirksamen Inhibitoren, die für den klinischen Einsatz zugelassen sind, gibt. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf drei relevante Vertreter dieser Enzymklasse: NDM-1 aus Klebsiella pneumoniae, VIM-2 aus Pseudomonas aeruginosa, und IMP-1 aus Serratia marcescens. Mithilfe von Molekulardynamiksimulationen (MD) wurde das dynamische Verhalten der biologisch aktiven Strukturen der Enzyme NDM-1, VIM-2 und IMP-1 ohne Liganden im aktiven Zentrum in wässriger Lösung untersucht. Zunächst wurden angepasste "Patches" entwickelt, die die Koordination der beiden Zn-Ionen im aktiven Zentrum der interessierenden Proteine beschreiben. Die Parameter dieser Patches wurden so verfeinert, dass die in den MD-Simulationen beobachtete durchschnittliche Geometrie des aktiven Zentrums der Proteine im Vergleich zu den als Ausgangskoordinaten verwendeten röntgenkristallographischen Strukturen so genau wie möglich erhalten blieb. Zweitens wurde nach der Durchführung von MD-Simulationen mit der endgültigen Version dieser Patches die Stabilität der Proteinstrukturen während der MD-Simulationen durch Messung der mittleren quadratischen Abweichung als Funktion der Simulationszeit überwacht. Die resultierenden stabilen Trajektorien wurden unter verschiedenen Gesichtspunkten weiter analysiert. Ausgewählte interatomare Abstände und Winkel wurden gemessen, um Ähnlichkeiten und Unterschiede in der Dynamik der aktiven Zentren der untersuchten Proteine zu identifizieren. Wir fanden mehrere Hinweise, die auf eine verengte Geometrie des aktiven Zentrums von IMP-1 im Vergleich zu den beiden anderen Proteinen hindeuten. Im Gegensatz dazu konnten wir keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die Anzahl der Wassermoleküle feststellen, die sich im Mittel innerhalb einer kugelförmigen Näherung des aktiven Zentrums befinden. Die Koordinationsgeometrien der beiden Zn-Ionen, die im aktiven Zentrum der Proteine vorhanden sind, wurden untersucht, und es wurden Unterschiede im Verhalten der aktiven Zentren in den MD-Simulationen im Vergleich zu experimentellen röntgenkristallographischen Strukturen in der Literatur gefunden. Obwohl einige Beobachtungen bezüglich der Zn-Koordination Artefakte der gewählten Methodik sein könnten, insbesondere des verwendeten klassischen Kraftfelds, verhält sich das aktive Zentrum von IMP-1 wiederum etwas anders als die anderen beiden Proteine. Wir verglichen auch die Mobilität einzelner Aminosäuren innerhalb der Proteinstrukturen während der MD-Simulationen. Alle in den drei Proteinen konservierten Sekundärstrukturelemente blieben während der Simulationen stabil.
Abstract
(Englisch)
Antimicrobial resistance is considered a serious crisis of our time, posing a threat to human health worldwide. A prominent class of enzymes that provide bacteria with antimicrobial resistance are metallo-β-lactamases. These enzymes utilize zinc ions in their active site to catalyze the cleavage of the β-lactam ring present in all β-lactam antibiotics. They are considered a major danger in the context of antimicrobial resistance, mostly due to the current lack of effective inhibitors of these enzymes for clinical use. This thesis concentrates on three relevant representatives of this enzyme class: NDM-1 from Klebsiella pneumoniae, VIM-2 from Pseudomonas aeruginosa, and IMP-1 from Serratia marcescens. Using molecular dynamics (MD) simulations, the dynamic behavior of the biologically active structures of the enzymes NDM-1, VIM-2, and IMP-1 in aqueous solution with no ligands bound in their active site was examined. First, custom patches that describe the coordination of the two zinc ions present in the active site of the enzymes of interest were developed. The parameters of these patches were refined so that the average active site geometries of these proteins observed in the MD simulations were maintained as accurately as possible, compared to the X-ray crystallographic structures used as initial coordinates. Second, after carrying out MD simulations with the final version of these custom patches, the stability of the enzyme structures during the MD simulations was monitored by measuring the root-mean-square deviation as a function of simulation time. The resulting stable trajectories were analyzed from several perspectives. Selected interatomic distances and angles were measured to identify similarities and differences in the dynamics of the active sites of the enzymes. We found several indications suggesting a narrower shape of the IMP-1 active site in comparison to the other two enzymes. By contrast, we observed no significant differences regarding the number of water molecules detected within a spherical approximation of the active site. The coordination geometries of both zinc ions present in the active site of the proteins of interest were studied, and differences were discovered in the behavior of the active sites in the MD simulations in comparison to the experimental structures described in the literature. Although some observations concerning the zinc coordination might be artifacts of the chosen methodology, in particular of the classical mechanical force field used, the IMP-1 active site again behaves slightly differently from the other two enzymes. We also compared the mobility of individual residues within the full protein structures during the MD simulations. All secondary structure elements conserved across the three enzymes were well maintained during all simulations.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
antimikrobielle Resistenz Metallo-β-Lactamasen Molekulardynamik Zink Koordination
Schlagwörter
(Englisch)
antimicrobial resistance metallo-β-lactamases molecular dynamics zinc coordination
Autor*innen
Klara Pribanova
Haupttitel (Englisch)
Comparative MD simulation studies of three metallo-β-lactamases from antibiotic-resistant bacteria
Paralleltitel (Deutsch)
Vergleichende MD-Simulationsstudien von drei Metallo-β-Lactamasen aus Antibiotika-resistenten Bakterien
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
xi, 68 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Stefan Boresch
Klassifikation
35 Chemie > 35.06 Computeranwendungen
AC Nummer
AC16990595
Utheses ID
69104
Studienkennzahl
UA | 066 | 863 | |