Investigation of interactions of lincosamides with bacterial ribosome using computational modelling methods

Blisko 100 letnia, nie zawsze dobra, tradycja stosowania antybiotyków przeciwko infekcjom bakteryjnym przyczyniła się do rozwoju oporności wśród bakterii. Zrozumienie mechanizmu oporności bakteryjnej jest kluczowe dla skutecznego projektowania nowych związków antybakteryjnych. Niniejsza praca poświęcona jest linkozamidom, grupie antybiotyków hamujących syntezę białek bakteryjnych zachodzącą na rybosomie. Bakteryjna oporność wobec linkozamidów powodowana jest m. in. poprzez modyfikację ich miejsca wiązania do rybosomu bakteryjnego. Wiadomo, że mutacje pewnych nukleotydów (np. A2058) przyczyniają się do braku skuteczności linkozamidów. Motywacją do moich badań był brak wiedzy na temat zmian właściwości fizycznych zmutowanego miejsca wiązania linkozamidów oraz w cząsteczce wiążącego się antybiotyku. Moja praca składa się czterech części: (i) kwantowo-mechanicznych obliczeń dla pojedynczych molekuł linkozamidów, (ii) symulacji dynamiki molekularnej cząsteczki klindamycyny (antybiotyku o najlepszych właściwościach farmakokinetycznych spośród linkozamidów), (iii) pełnoatomowej oraz (iv) hybrydowej (kwantowo-klasycznej) dynamiki molekularnej (MD) fragmentu rybosomu zarówno natywnego, jak i z wprowadzoną mutacją. Przeprowadzone obliczenia kwantowo-mechaniczne pozwoliły mi przewidzieć właściwości fizykochemiczne dla pojedynczych cząsteczek linkozamidów: klindamycyny, linkomycyny oraz pirlimycyny. Następnym etapem było wykonanie symulacji dynamiki molekularnej dla cząsteczki klindamycyny. Przeprowadziłam symulacje używając trzech technik: kwantowej MD dla cząsteczki w próżni, hybrydowej oraz pełnoatomowej MD dla molekuły w komórce elementarnej wypełnionej cząsteczkami wody. Analiza powyższych symulacji pozwoliła opisać wewnętrzną dynamikę cząsteczki klindamycyny oraz wpływ środowiska. Zaobserwowałam zmianę konformacji klindamycyny symulowanej zarówno w próżni, jak i w komórce elementarnej wypełnionej cząsteczkami wody. Następnie przeprowadziłam symulacje hybrydowej oraz pełnoatomowej dynamiki molekularnej natywnego, jak i zmutowanego (A2058G) fragmentu rybosomu zawierające miejsce wiązania klindamycyny. Aby uzyskać opis oddziaływań między miejscem wiązania a klindamycyną wykonałam również symulacje MD natywnego i zmutowanego fragmentu rybosomu w kompleksach z antybiotykiem. Analizowałam własności fizyko-chemiczne symulowanych układów m.in.: dynamikę wewnętrzną, strukturę geometryczną, a także rodzaje oddziaływań z antybiotykiem. Opierając się na wynikach pełnoatomowej oraz hybrydowej dynamiki molekularnej wykazałam, że cząsteczka antybiotyku tworzy bardziej stabilny kompleks ze zmutowanym rybosomem, niż z natywnym rybosomem. Kompleks klindamycyny ze zmutowanym (A2058G) fragmentem rybosomu przyjmuje nieco inną geometrię. Klindamycyna nie znajduje się w świetle tunelu, którym wydostają się syntezowane łańcuchy polipeptydowe, tj. nie blokuje ich wyjścia, a co za tym idzie nie blokuje syntezy białek bakteryjnych. Przeprowadzone symulacje techniką hybrydowej MD okazały się bardzo wymagające dla tak dużego układu. W osiągalnej skali czasowej nie było możliwe zaobserwowanie istotnych różnic. Wyniki opisane w mojej pracy mogą być podstawą do zaprojektowania pochodnych linkozamidów, które byłyby aktywne również wobec bakterii opornych na znane obecnie: klindamycynę, linkomycynę i pirlimycynę.

The nearly 100 year old, not always good, tradition of the application of antibiotics against bacterial infections contributed to the development of resistance among bacteria. Understanding of the bacterial resistance mechanism is key to effective design of new antibacterial compounds. This work covers lincosamides, a class of antibiotics blocking protein synthesis on the ribosome. Bacterial resistance against lincosamides may be caused by modification of their binding site on the ribosome. Mutations of certain nucleotides (e.g. A2058) are known to render the lincosamides ineffective against the mutated bacteria. The motivation behind my research was the lack of knowledge about the changes in physical properties of the mutated binding site of lincosamides. My work consists of four parts: (i) quantum-mechanical calculations for single lincosamide molecules, (ii) molecular dynamics simulations of clindamycin (the antibiotic with the best pharmacokinetic properties among lincosamides), (iii) full-atom and (iv) hybrid (quantum-classical) molecular dynamics (MD) of a ribosome fragment (both native and with an introduced mutation) containing lincosamide binding site. The performed quantum-mechanical calculations allowed me to predict the physicochemical properties of lincosamide molecules: clindamycin, lincomycin and pirlimycin. In the next stage, I performed molecular dynamics simulations for clindamycin. I applied three methods for my simulations: quantum MD for the molecule in vacuum, hybrid and full-atom MD for the molecule in a water box. Analysis of the above simulations enabled me to describe the internal dynamics of the clindamycin and the influence of the environment. I observed a conformational change of clindamycin in both vacuum and water box. Next, I performed hybrid and full-atom molecular dynamics of the native and mutated (A2058) ribosome fragment. In order to obtain the description of the interactions between the binding site and clindamycin, I carried out MD simulations of the native and mutated ribosome fragment complexed with the antibiotic. I analysed the physicochemical properties of the simulated systems, i.e.: internal dynamics, geometry, and the types of interactions with the antibiotic. Based on the results of hybrid and full-atom MD, I showed that the antibiotic molecule and the mutated ribosome create a complex that is more stable than complex native ribosome with clindamycin. The complex of clindamycin with the mutated (A2058G) ribosome fragment has a slightly different geometry. Clindamycin is no longer located in the opening of the tunnel through which the synthesised polypeptide chains egress, i.e. it does not block their exit, which in turn does not block the bacterial protein synthesis. The hybrid MD simulations turned out to be too demanding computationally for such a large system. It was not possible to observe any significant differences in the achievable time scale. The results described in my work could lead to design of lincosamide derivatives which would be active also against bacteria resistant to the currently known clindamycin, lincomycin and pirlimycin members of this class.