細菌細胞壁の粗視化モデルの開発と機械的性質と自由エネルギー障壁の評価

Developing a Coarse-Grained Model for Bacterial Cell Walls and Evaluating Mechanical Properties and Free Energy Barriers.

• Rakesh Vaiwala
• Pradyumn Sharma
• Mrinalini Puranik
• K Ganapathy Ayappa

抄録

グラム陰性菌の細胞膜は、内膜、ペプチドグリカンのペリプラズム、リポ多糖類（LPS）の外膜からなる複数の層からなる複雑な生物学的バリアであり、抗菌性の向上に伴い、小分子の相互作用を解明することが求められています。抗菌剤耐性の増加に伴い、低分子と細胞膜との相互作用を理解し、新規薬剤の開発に役立てることに関心が高まっています。そのため、分子動力学シミュレーションを行うためには、細菌の細胞膜を適切に表現する必要があります。細胞膜の複雑さを考えると、明示的な溶媒を用いた細胞膜の完全な原子論的記述は計算量が多く、小さなシステムサイズではサンプリングが制限されてしまいます。しかし、MARTINIのような粗視化（CG）モデルでは、生理学的に適切な長さと時間スケールで現象を研究することができます。脂質やLPSのMARTINIモデルは文献にありますが、ペプチドグリカンの適切なCGモデルはありません。本研究では、Gumbart2014}によって記述された全原子モデルを用いて、MARTINIフレームワーク内でのペプチドグリカンネットワークのCGモデルを開発した。このモデルは、糖鎖の端から端までの距離を再現するようにパラメトリック化されている。その結果、糖鎖に沿って隣接するペプチド間の平衡角,二糖あたりの面積,空洞サイズ分布などの構造特性は、原子論的シミュレーション結果とよく一致することがわかった。また、面積圧縮率や曲げ弾性率などの機械的性質も正確に再現されています。新規抗生物質の開発においては、ペプチドグリカンネットワークのバリア性を評価することが重要である。我々は、MARTINIモデルと全原子ペプチドグリカンモデルの両方で、アンブレラサンプリングを用いてチモール分子の挿入自由エネルギーを評価し、比較した。挿入自由エネルギーは、MARTINIモデルと全原子モデルの両方で$$mathrm{k_BT}$以下であることがわかった。追加の拘束なしのシミュレーションでは、ペプチドグリカンを横切ってチモールが急速に移動することが明らかになった。我々は、提案されたペプチドグリカンのためのMARTINIモデルが、より大きな長さと時間スケールで細菌の細胞壁に関連する現象を理解するのに役立つことを期待し、それによって全原子モデルの現在の限界を克服することができます。

The bacterial cell envelope of Gram-negative bacteria is a complex biological barrier with multiple layers consisting of the inner membrane, periplasm of peptidoglycan and the outer membrane with lipopolysaccharides (LPS). With rising antimicrobial resistance there is increasing interest in understanding interactions of small molecules with the cell membrane to aid in the development of novel drug molecules. Hence suitable representations of the bacterial membrane are required to carry out meaningful molecular dynamics simulations. Given the complexity of the cell envelope, fully atomistic descriptions of the cell membrane with explicit solvent are computationally prohibitive, allowing limited sampling with small system sizes. However coarse-grained (CG) models such as MARTINI allow one to study phenomena at physiologically relevant length and time scales. Although MARTINI models for lipids and the LPS are available in literature, a suitable CG model of peptidoglycan is lacking. Using an all-atom model described by \citet{Gumbart2014}, we develop a CG model of the peptidoglycan network within the MARTINI framework. The model is parametrized to reproduce the end-to-end distance of glycan strands. The structural properties such as equilibrium angle between adjacent peptides along the strands, area per disaccharide, and cavity size distributions agree well with the atomistic simulation results. Mechanical properties such as the area compressibility and the bending modulus are accurately reproduced. While developing novel antibiotics it is important to assess barrier properties of the peptidogylcan network. We evaluate and compare the free energy of insertion for a thymol molecule using umbrella sampling on both the MARTINI and all-atom peptidoglycan models. The insertion free energy was found to be less than $\mathrm{k_BT}$ for both the MARTINI and all-atom models. Additional restraint free simulations reveal rapid translocation of thymol across peptidogylcan. We expect that the proposed MARTINI model for peptidoglycan will be useful in understanding phenomena associated with bacterial cell walls at larger length and time scales, thereby overcoming the current limitations of all-atom models.