Načrtovanje protibakterijskih učinkovin
1. Razvoj dinamičnega modela encima MurD in načrtovanje novih inhibitorjev bakterijske druine Mur lgaz
Peptidoglikan je ključni del bakterijske celične stene, ki omogoča preživetje bakterij v različnih osmolarnih okoljih. Sinteza peptidnega dela monomerne enote peptidoglikana poteka intracelularno preko sukcesivnega dodajanja aminokislin na začetni prekurzor, ki ga katalizirajo štirje encimi, imenovani bakterijske Mur ligaze (MurC, MurD, MurE in MurF). Mur ligaze predstavljajo obetavne tarče razvoja novih protibakterijskih zdravilnlih učinkovin.
Slika 1. Tridimenzionalna struktura encima MurD (PDB 2UAG), ki je setavljen iz treh proteinskih domen.
V okviru naših raziskav razvijamo dinamični model encima MurD, ki poskuša združiti eksperimentalne podatke o tej tarči v dinamično atomistično sliko. Ukvarjamo se s teoretičnimi študijami premikanja C-terminalne domene, zanimajo nas koraki reakcijskega mehanizma in vpogled v energetiko vezave novih inhibitorjev MurD. Pri tem uporabljamo sodobna orodja teoretične računske kemije: simulacije molekulske dinamike (MD), hibridna kvantno-mehanska/molekulsko-mehanska (QM/MM) polja sil in metode, ki omogočajo računanje proste energije vezave inhibitorjev, kot npr. linearna interakcijska energija (LIE).
Izbrane publikacije
PERDIH, Andrej, HODOŠČEK, Milan, ŠOLMAJER, Tomaž. MurD ligase from E. coli : tetrahedral intermediate formation study by hybrid quantum mechanical/molecular mechanical replica path method. Proteins, 2009, 74, 3, 744-759. Link
PERDIH, Andrej, ŠOLMAJER, Tomaž. MurD ligase from Escherichia coli: C-terminal domain closing motion. Computational and theoretical chemistry, 2012, 979, 73-81. Link
PERDIH, Andrej, KOTNIK, Miha, HODOŠČEK, Milan, ŠOLMAJER, Tomaž. Targeted molecular dynamics simulation studies of binding and conformational changes in E. coli MurD. Proteins, 2007, 68, 243-254. Link
PERDIH, Andrej, WOLBER, Gerhard, ŠOLMAJER, Tomaž. Molecular dynamics simulation and linear interaction energy study of D-Glu-based inhibitors of the MurD ligase. Journal of computer-aided molecular design, 2013, 27, 723-738. Link
Na osnovi dostopnih strukturnih podatkov in rezultatov molekulskih simulacij se ukvarjamo z načrtovanjem novih inhibitorjev družine bakterijskih Mur ligaz (MurC – MurF). Pri raziskavah uporabljamo računalniško podprte metode načrtovanja, kot so molekulsko sidranje, načrtovanje na osnovi volumna molekule in tridimenzionalnega farmakofornega modeliranja. V načrtovanje vključujemo tudi metode klasične molekulske dinamike (MD) in rešetanje z uporabo multiplih konformacij Mur ligaz. V sodelovanju z eksperimentalnimi partnerji v Sloveniji in tujini izbrane spojine ovrednotimo s testi encimske inhibicije, s kinetičnimi študijami, mikrobiološkimi testi in strukturnimi študijami.
Slika 2. Primer strukturno podprtega načrtovanja inhibitorjev benzen 1,3-dikarboksilatnih inhibitorjev Mur ligaz z uporabo tridimenzionalnih strukturno podprtih farmakofornih modelov.
Izbrane publikacije
PERDIH, Andrej, HRAST, Martina, BARRETEAU, Hélène, GOBEC, Stanislav, WOLBER, Gerhard, ŠOLMAJER, Tomaž. Inhibitor design strategy based on an enzyme structural flexibility : a case of bacterial MurD ligase. J. Chem. Inf. Model, 2014, 54, 1451-1466. Link
PERDIH, Andrej, HRAST, Martina, BARRETEAU, Hélène, GOBEC, Stanislav, WOLBER, Gerhard, ŠOLMAJER, Tomaž. Benzene-1,3-dicarboxylic acid 2,5-dimethylpyrrole derivatives as multiple inhibitors of bacterial Mur ligases (MurC-MurF). Bioorg. Med. Chem., 2014, 22, 4124-4134. Link
ENIYAN, Kandasamy, KUMAR, Anuradha, RAYASAM, Geetha Vani, PERDIH, Andrej, BAJPAI, Urmi. Development of a one-pot assay for screening and identification of Mur pathway inhibitors in Mycobacterium tuberculosis. Scientific reports, 2016, 6, 35134-1-35134-12. Link
2. Načrtovanje inhibitorjev bakterijske DNA giraze B
Pomembna tarča za razvoj protibakterijskih učinkovin je bakterijska DNA giraza, ki sodeluje pri podvajanju krožne bakterijske DNA in katalizira uvajanje dodatnih negativnih zavojev, za kar uporablja energijo, ki nastane pri hidrolizi ATP molekule. Encim sestavljata dve podenoti, giraza A in giraza B, ki skupaj tvorita heterodimerno strukturo A2B2. Zdravilne učinkovine kinoloni se uporabljajo tudi v klinični praksi in delujejo preko stabilizacije kompleksa med DNA girazo in molekulo DNA in tako preprečijo ponovno združitev verig in replikacijo bakterijske DNA .
Slika 3 Tridimenzionalna struktura dimera 43kDa fragmenta bakterijskega encima DNA giraza B (PDB 1EI1).
Izbrane publikacije
OBLAK, Marko, KOTNIK, Miha, ŠOLMAJER, Tomaž. Discovery and development of ATPase inhibitors of DNA gyrase as antibacterial agents. Cur. Med. Chem., 2007, 14, 2033-2047. Link
Načrtujemo inhibitorje B podenote DNA giraze, ki je odgovorna za vezavo in hidrolizo ATP molekule. Izhodišča za načrtovanje predstavljajo nekateri naravni inhibitorji DNA giraze B, ki se vežejo v ATP vezavno mesto, kot so npr. ciklotialidini in kumarini. Pri raziskavah uporabljamo računalniško podprte metode načrtovanja, kot so npr. molekulsko sidranje in tridimenzionalno farmakoforno modeliranje. Izbrane spojine ovrednotimo v testih encimske aktivnosti ter izvajamo vezavne študije s pomočjo metod površinske plazmonske resonance (SPR) in mikrotermoforeze (MST). V sodelovanju z eksperimentalnimi partnerji poskušamo določiti tudi protibakterijsko aktivnost spojin ter rešiti komplekse med izbrano podenoto giraze B in identificiranimi inhibitorji.
Slika 4. Primer strukturno podprtega načrtovanja inhibitorjev DNA giraze B iz izhodiščnega kumarina klorobiocina in rezultat strukturnih študij vezave odkritega bitiazolnega inhibitorja v ATP vezavno mesto (PDB 4DUH).
Izbrane publikacije
BRVAR, Matjaž, PERDIH, Andrej, RENKO, Miha, ANDERLUH, Gregor, TURK, Dušan, ŠOLMAJER, Tomaž. Structure-based discovery of substituted 4, 5`-bithiazoles as novel DNA gyrase inhibitors. Journal of Medicinal Chemistry, 2012, 55, 6413-6426. Link
BRVAR, Matjaž, PERDIH, Andrej, HODNIK, Vesna, RENKO, Miha, ANDERLUH, Gregor, JERALA, Roman, ŠOLMAJER, Tomaž. In silico discovery and biophysical evaluation of novel 5-(2-hydroxybenzylidene) rhodanine inhibitors of DNA gyrase B. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 2012, 20, 2572-2580. Link
BRVAR, Matjaž, PERDIH, Andrej, OBLAK, Marko, PETERLIN-MAŠIČ, Lucija, ŠOLMAJER, Tomaž. In silico discovery of 2-amino-4-(2, 4-dihydroxyphenyl)thiazoles as novel inhibitors of DNA gyrase B. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2010, 20, 958-962. Link