抗生素耐藥性是一種日益嚴(yán)重的醫(yī)學(xué)危機(jī)，因為引起疾病的細(xì)菌已經(jīng)發(fā)展出能夠逃避或克服許多可用藥物的毒性作用的特性。更多的這些微生物對多種藥物有抵抗力，限制了醫(yī)生對抗患者感染的選擇。結(jié)果，一系列疾病 - 包括肺炎，血流感染和淋病 - 變得更加危險，治療費用更高，每年醫(yī)療費用增加高達(dá)200億美元。

隨著研究人員尋求新的抗生素，他們必須克服這些微生物進(jìn)化生存的機(jī)制。今天的大多數(shù)藥物對革蘭氏陰性細(xì)菌效果不佳，革蘭氏陰性細(xì)菌難以滲透，因為它們被兩個膜包圍，細(xì)胞壁夾在中間。(革蘭氏陽性細(xì)菌缺乏外膜。)革蘭氏陰性細(xì)菌也部署其他防御系統(tǒng)：它們將各種膜蛋白組裝成精細(xì)的防御結(jié)構(gòu)，稱為外排泵，允許細(xì)胞在它們起作用之前排出殺菌劑。

喬治亞理工學(xué)院的物理學(xué)家James C. Gumbart說，敲除外排泵是一種很有前途的策略，無論是創(chuàng)造新藥物還是讓舊的抗生素恢復(fù)生機(jī)。但是為了瞄準(zhǔn)并消除這些結(jié)構(gòu)，研究人員首先必須準(zhǔn)確理解它們的功能。

這就是模擬可以提供幫助的地方。從長遠(yuǎn)來看，Gumbart希望模擬分子動力學(xué) - 外排泵中的分子如何相互作用 - 以使這些防御無害的目標(biāo)。

作為該過程的一個步驟，Gumbart和他的同事們已經(jīng)開始關(guān)注外排泵的關(guān)鍵組件：銜接蛋白AcrA，它將內(nèi)膜上的外排泵組件與外膜上的外排泵組件連接起來。“我們從各種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中了解到，AcrA是泵的關(guān)鍵組成部分，彌合了AcrB和TolC之間的差距，”另外兩種重要的膜蛋白。“它是否具有超越結(jié)構(gòu)性的任何作用，我們不確定，”Gumbart說。

為了更好地研究這種蛋白質(zhì)，Gumbart和他的團(tuán)隊在Oak Ridge領(lǐng)導(dǎo)計算設(shè)施(能源部(DOE)用戶設(shè)施)使用了Titan，Cray XK7超級計算機(jī)，以模擬AcrA與其他設(shè)備交互時的形狀和相關(guān)穩(wěn)定性。外排泵組件。美國能源部創(chuàng)新和新穎的理論與實驗計算影響(INCITE)計劃分配了3800萬小時，支持他們的工作。該研究還依賴于NAMD，這是由伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的美國國立衛(wèi)生研究院大分子模擬和生物信息學(xué)中心開發(fā)的分子動力學(xué)代碼，用于在大量計算機(jī)處理器上并行模擬大型生物分子系統(tǒng)。核心。

為了構(gòu)建他們的模擬，該團(tuán)隊利用了新開發(fā)的兩種膜模型和革蘭氏陰性細(xì)菌大腸桿菌細(xì)胞壁的原子細(xì)節(jié)。“為了理解組裝過程，我們必須考慮它發(fā)生的環(huán)境，即周質(zhì)，即膜之間的空間，”Gumbart說。“周質(zhì)包括許多蛋白質(zhì)以及細(xì)胞壁，細(xì)網(wǎng)狀物可在各種環(huán)境中賦予細(xì)菌形狀和穩(wěn)定性。”研究人員將AcrA置于外排泵結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)包括來自內(nèi)封套的伴侶蛋白AcrB和來自外封套的TolC。

這些千萬億次級模擬以每秒一千萬億次的數(shù)學(xué)計算運行，創(chuàng)建了這些細(xì)菌蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜的運動和能量的平行版本。個體模擬包括蛋白質(zhì)，其構(gòu)象 - 分子可以輕易扭曲和重塑自身的方式 - 巧妙地區(qū)別開來。為了優(yōu)化他們的結(jié)果，研究人員偶爾可以在模擬之間交換能量有利的構(gòu)象，這種技術(shù)稱為副本交換。使用這種策略，科學(xué)家可以繪制系統(tǒng)的自由能量。

AcrA，AcrB和TolC的最低能量組合揭示了最有可能在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的情景和蛋白質(zhì)排列。例如，目前尚不清楚AcrA在最初與AcrB交互之前或之后是否適應(yīng)其形狀，Gumbart說。“我們的自由能圖將幫助我們區(qū)分這些可能性。”

該團(tuán)隊還在分析其數(shù)據(jù)，以尋找顯示干擾泵裝配的AcrA構(gòu)象的能量圖。“如果我們能夠穩(wěn)定這些構(gòu)象，我們就可以有望抑制多藥外排，”Gumbart說。該信息可以指導(dǎo)設(shè)計新的，精確靶向的候選藥物，稱為外排泵抑制劑(EPI)。“反過來，EPI將阻止泵組件或阻止其組裝后的功能。”

此類模擬還可以測試Gumbart合作者已經(jīng)設(shè)計的EPI的效果，提供有關(guān)哪些候選藥物可能證明最有效并且應(yīng)該進(jìn)一步研究的有價值的信息。

Gumbart說，如果成功，這種策略可以恢復(fù)一些不再使用的抗生素，因為研究人員希望將它們與EPI結(jié)合可以恢復(fù)它們的效力。

Gumbart和他的團(tuán)隊在短短一年內(nèi)收集了大量數(shù)據(jù)。“使用常見的超級計算資源需要至少四到五年的時間，”他說。團(tuán)隊成員包括橡樹嶺國家實驗室的杰瑞公園;亨茨維爾阿拉巴馬大學(xué)的杰羅姆·博德里;俄克拉荷馬大學(xué)的Helen Zgurskaya;田納西大學(xué)諾克斯維爾分校研究生亞當(dāng)格林;和佐治亞理工學(xué)院的研究生Anthony Hazel。

更好地了解外排泵組件以及改變或阻斷這些結(jié)構(gòu)的策略也可用于治療其他疾病。例如，一種不同類型的泵會導(dǎo)致癌細(xì)胞的耐藥性，Gumbart說。“事實上，外排系統(tǒng)在生活的所有領(lǐng)域都有發(fā)現(xiàn)。”

自從今年春天完成模擬以來，Gumbart和他的同事一直在分析所得到的數(shù)據(jù)，以量化自由能量，找到有利于與不受歡迎的構(gòu)象的模式，甚至確定為什么只有一些突變影響泵組裝。需要更多的模擬來解決相關(guān)問題，但目前的數(shù)據(jù)仍然存在許多秘密。Gumbart和他的團(tuán)隊將繼續(xù)挖掘。