Баннер
Баннер
31.01.2013 16:20

На пути к новым антибиотикам

Автор  А. Чугунов, Д. Нольде, Д. Пыркова, А. Полянский, В. Пентковский, Р. Ефремов
Оценить
(0 голоса)

Проблема резистентности бактерий к действию антибиотиков серьезна как никогда, и медицина всеми силами ищет пути к новым бактерицидным веществам, способным сохранять эффективность в течение долгих лет. Современная биофизика поможет ей в этом – наблюдение за молекулой антибиотика, которая «атакует» бактериальную клетку, подскажет ученым, как создать новые вещества, убивающие бактерий и безвредные для человеческого организма. Возможность для такого наблюдения дают суперкомпьютерные расчеты, а также современные физические модели и математические алгоритмы, предназначенные для изучения в вычислительном эксперименте структуры, динамики и функций сложнейших биологических супрамолекулярных систем. Исследователи из Института биоорганической химии РАН, используя ресурсы нового суперкомпьютера, установленного в лаборатории iScalare МФТИ, изучили на атомном уровне особенности организации мембраны бактерий, используя которые антибиотики преодолевают защитные системы клетки и оказывают антимикробное действие. Полученный результат указывает на возможность разработки нового поколения антибиотиков, избавленных от бремени резистентности.

В 2010 году московский Физтех (МФТИ) обогатился новым структурным подразделением, названным Лабораторией суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур (i-Scalare: Intel Super Computer Applications Laboratory for Advanced REsearch). Через несколько месяцев в Лаборатории заработал суперкомпьютер «РСК Торнадо» на основе процессоров Intel Xeon E5-2690.

Несмотря на свою компактность – компьютер вместе с системой охлаждения занимает около 2 кв. м, – его производительность позволяет решать весьма ресурсоемкие задачи из области биомедицины и фармакологии: в частности, на нем моделируется взаимодействие новых антибиотиков с компонентами мембраны бактерий.

С 1960-х годов до начала 2000-х на фармацевтический рынок не выводилось новых антибиотиков, а практически ко всем созданным на тот момент веществам уже появились резистентные штаммы (рис. 1). Поэтому проблема поиска новых антибактериальных веществ сегодня стоит очень остро. Наиболее действенным всегда был способ «подглядывания» за природой, но в XXI веке к простому естествоиспытательству логично присовокупить знания в области молекулярной биологии и биофизики, полученные за последние полвека, и не только найти что-то полезное в природе, но и улучшить это, прежде чем поставить на службу человечеству.

Некоторые непатогенные бактерии (например, лактобактерии) производят вещества, совершенно безвредные для человека, но при этом являющиеся прекрасными антибиотиками для борьбы со многими болезнетворными штаммами. Примером таких веществ, на которые возлагается надежда медицины, являются лантибиотики – вещества пептидной природы, сильно модифицированные специальными ферментами после синтеза и обладающие необычной полициклической химической структурой. Уже около 10 лет многие лаборатории мира пытаются внедрить лантибиотики в клиническую практику, однако сделать это пока так никому и не удалось.

Лантибиотики, подобно стреле, поражают бактерии в «ахиллесову пяту» — жизненно необходимую молекулу, находящуюся в липидной мембране бактерий, — липид-II. Эти соединения играют решающую роль в биосинтезе клеточной стенки бактерий, нарушение которого приводит к остановке роста бактерий и даже их гибели. Лантибиотики «ловят» липид-II, образуя с ним прочный комплекс и мешая ему выполнять свою роль, что и лежит в основе бактерицидного действия.

Авторы этой статьи использовали суперкомпьютер лаборатории i-Scalare для выполнения детальных расчетов молекулярной динамики (МД); компьютерных моделей бактериальной мембраны с липидом-II, в которых все молекулы фосфолипидов и липида-II были заданы на уровне отдельных атомов. Изучение структурно-динамической картины бактериальной мембраны – важнейший шаг в установлении механизма действия лантибиотиков. Оно позволит перейти к рациональному дизайну новых бактерицидных веществ, на основе которых можно будет разработать новое поколение антибиотиков, эффективно борющихся с патогенными микроорганизмами и лишенных бремени резистентности.

Компьютерный эксперимент заключался в конструировании (in silico) фрагмента бислойной мембраны, по своему фосфолипидному составу очень схожей с мембраной бактерий; в нее помещали молекулу липида-II, состоящую из очень длинного гидрофобного «хвоста», способного пронизать оба монослоя мембраны насквозь, и присоединенной к нему гидрофильной «головки». Эту систему «погружали» в слой растворителя – воды с ионами натрия, предназначенными для компенсации отрицательного заряда, характерного для мембран бактерий. МД, для расчета которой и был нужен суперкомпьютер, заключается в численном решении уравнений движения всех атомов системы, что позволяет «увидеть», как устроена и меняется во времени эта мембрана.

В расчетах использовали метод классической молекулярной динамики, реализованный в пакете GROMACS. Размер системы составил 5х104 атомов, шаг интегрирования – 2 фс (что равно 5х108 циклам для длины траектории 1 мкс, уже позволяющей «увидеть» биологические явления). Основные вычислительные затраты (>80%) при этом приходятся на расчет сил попарных невалентных взаимодействий между атомами. При учете только «ближних» взаимодействий в сфере радиусом 12 Å каждый атом взаимодействует примерно с 500 «соседями». Это целесообразно для ван-дер-ваальсовых взаимодействий, однако для электростатических сил такая «отсечка» дальних взаимодействий неприемлема, вследствие чего применяли алгоритм Эвальда (суммирование в пространстве Фурье).

Использование суперкомпьютера «РСК Торнадо» лаборатории i-Scalare в МФТИ позволило снять практически все ограничения метода МД для мембрано-водных систем: скорость расчета составляла от 80 до 140 нс/сутки, что дает возможность получать траектории длиной от 1 до 10 мкс за разумное время (порядка недель); имеющееся в составе кластера число узлов позволяет проводить одновременно расчеты нескольких систем (для одной задачи использовали от 8 до 20 узлов, при этом суммарное число узлов кластера – 120); при необходимости размер исследуемой системы можно увеличить в несколько раз без уменьшения скорости расчета (за счет увеличения числа используемых узлов). Все параметры расчета МД выбирали исходя из физических соображений, а не для уменьшения времени расчета. Для сравнения: до ввода в эксплуатацию первой очереди вычислительного кластера «РСК Торнадо» в 2011 году не удавалось достичь скорости расчета выше 10 нс/сутки для подобных систем ни на собственных кластерах, ни на компьютере МВС-100К в МСЦ РАН.

Опыт работы с программой GROMACS позволяет выделить следующие моменты, существенные для скорости расчета МД: частота процессора при длительном режиме работы; число реальных вычислительных ядер на процессоре; латентность и пропускная способность коммуникационной среды (низкая латентность необходима при использовании метода Эвальда); использование набора команд AVX позволяет заметно уменьшить время расчета. Таким образом, суперкомпьютер «РСК Торнадо» в настоящее время выглядит наиболее подходящим для расчетов МД, так как:

• в нем используются процессоры Intel Xeon E5-2690 с тактовой частотой 2.93 ГГц и поддержкой набора инструкций Intel AVX;

• высокоэффективная система жидкостного охлаждения позволяет процессору работать длительное время с использованием реализованной в нем технологии Intel Turbo Boost на повышенной к номиналу частоте (до +400 МГц);

• коммуникационная технология InfiniBand QDR обладает высокой пропускной способностью и низкой латентностью.

Интересно отметить, что использование процессоров с набором инструкций Intel AVX позволило при решении рассматриваемых выше задач сократить с 1/3 до 1/4 соотношение между числом процессоров, задействованных для расчета преобразования Фурье, и общим числом процессоров. Это говорит о том, что при использовании набора инструкций AVX выигрыш в скорости для процедуры преобразования Фурье заметно выше, чем для других процедур программы. Следует также отметить, что максимальная скорость расчета 140 нс/сутки в настоящее время ограничена не возможностями кластера, а недостатками в реализации алгоритма LINCS в программе GROMACS (требуется довольно большое соотношение между размером ячейки и размером ядер). Анализ траекторий МД показал, что липид-II образует на наружной поверхности бактериальной мембраны уникальный амфифильный (т. е. имеющий полярные и неполярные области) паттерн, напоминающий «атолл», гидрофобная «суша» в котором образована возмущенными ацильными цепями фосфолипидов, окружающих молекулу липида-II, а источником этого возмущения служит длинный и гибкий «хвост», который, подобно венчику миксера, нарушает равновесие бактериальной мембраны (см. рис. 2). Мы предполагаем, что этот паттерн помогает лантибиотикам «распознать» липид-II в мембране, выступая первым фактором в селективном узнавании лантибиотиками своей мишени. Эти результаты сейчас готовятся к публикации, поскольку никогда ранее исследователи не рассматривали проблему взаимодействия лантибиотиков с мембраной в этом ключе.

Кроме изучения свойств мембраны бактерий и роли липида-II в ее структуре и динамике была проведена серия предварительных расчетов, направленных на определение факторов селективного связывания лантибиотиками липида-II. Известно, что главной химической группой этой молекулы, которую распознают лантибиотики, является пирофосфат (две последовательно соединенные фосфатные группы -PO3 -PO3-) . На основе результатов МД были найдены аналоги кольцевых фрагментов лантибиотика низина, которые очень эффективно распознают пирофосфат как в изолированной форме (в воде), так и в химическом окружении липида-II, расположенного в мембране. Эти расчеты, особенно оценка свободной энергии связывания антибиотика с мишенью, расположенной в явно заданной бислойной мембране, также не могли быть выполнены без использования суперкомпьютера.

В планах авторов – более подробное изучение на атомистическом уровне картины распознавания молекулами антибиотиков их мишеней в бактериальных мембранах и осуществление рационального компьютерного дизайна соединений, которые будут обладать высокой бактерицидной активностью.

Конечно, кроме доступа к высокопроизводительным вычислениям и передовым алгоритмам расчета МД и обработки траекторий необходима экспериментальная проверка предсказанных результатов и учет биологической специфики действия антибиотиков.

Но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что современные методики молекулярного моделирования и высокопроизводительные расчеты вносят немалый вклад в решение самого широкого спектра биомедицинских задач и создание новейших био- и нанотехнологий.

Изменено 31.01.2013 16:45

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Новости

Календарь материалов

« Апреля 2017 »
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
          1 2
3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30