Studium reakčního mechanismu bakteriální glykosyltransferázy pomocí molekulového modelování

Bc. Július Zemaník

Master's thesis

Study of the Reaction Mechanism of a Bacterial Glycosyltransferase by Molecular Modelling

Abstract:

Helicobacter pylori je závažný lidský patogen spojený s několika gastrointestinálními onemocněními, včetně adenokarcinomu žaludku. Jeho infekce jsou stále obtížněji léčitelné kvůli rostoucí antibiotické rezistenci. Proto je důležité vývoj zaměřit na nové antibakteriální léčiva. V předložené diplomové práci zkoumáme potenciální farmakologický cíl, alfa-(1,3)-fukosyltranferázu, pomocí metod výpočetní chemie. Tato fukosyltransferáza syntetizuje Lewisovy antigeny, které maskují baktérii před imunitním systémem hostitele. Inhibice tohoto enzymu je tedy z farmakologického hlediska velmi atraktivní. Mechanismus reakce katalyzované enzymem však není znám. V práci prezentujeme nalezenou reakční cestu a ukazujeme, že jí musí předcházet významná konformační změna. Pomocí programu AlphaFold2 jsme předpověděli a charakterizovali proteinovou strukturu enzymu. Predikovaná struktura byla podrobena simulovanému žíhání, v kterém se umísťovali substráty do jejich příslušných vazebných míst. V konformační změně, která byla spuštěná navázáním substrátů, jsme identifikovali klíčovou interakci vedoucí k úplnému zavření aktivního místa. Získaný předreakční komplex byl použit v následných QM/MM simulacích s využitím řízené molekulové dynamiky a metadynamiky. Nalezli jsme reakční cestu a identifikovali jsme možnou strukturu tranzitního stavu. Získané výsledky by se mohly stát východiskem pro vývoj nových antimikrobiálních látek. Mohly by se zaměřit na konformační změnu a zabránit vzniku předreakčního komplexu. Identifikovaná struktura přechodového stavu by navíc mohla být využita k vývoji mimetik přechodového stavu, což je třída účinných a vysoce specifických inhibitorů.

Abstract:

Helicobacter pylori is a severe human pathogen associated with several gastrointestinal disorders, including gastric adenocarcinoma. Its infections are becoming more difficult to handle due to the rise of antibiotic resistance. Therefore, it is important to focus on the development of novel antibacterial agents. In the presented Diploma thesis, we investigate a potential drug target, alpha-(1,3)-fucosyltransferase, by methods of computational chemistry. This fucosyltransferase synthesises Lewis antigens that mask the bacterium from the host’s immune system. Inhibiting this enzyme is, thus, pharmacologically attractive. However, the enzyme reaction mechanism is not known. Here, we present a reaction pathway and show that a major conformational change must precede it. Using AlphaFold2, we predicted and characterised the protein structure of the enzyme. The predicted structure was subjected to simulated annealing to position the substrates into their respective binding sites. In the conformational change initiated by the binding, we identified a key interaction that led to the complete closing of the active site. The obtained pre-reaction complex was used in subsequent QM/MM reaction simulations utilising steered molecular dynamics and metadynamics. We found the reaction pathway and identified the possible structure of the transition state. The acquired results could become a starting point for the development of novel antimicrobial compounds. They could target the conformational change and prevent the formation of the pre-reaction complex. Furthermore, the identified structure of the transition state could be used to develop transition state mimetics, a class of potent and highly specific inhibitors.

Keywords

glykosyltransferázy, fukosyltransferáza, Helicobacter pylori, molekulové modelování, molekulové simulace, simulované, žíhaní, konformační změna, QM/MM, výpočty volných energií, reakční mechanismus, tranzitní stav, glycosyltransferases, fucosyltransferase, molecular modelling, molecular simulations, simulated annealing, conformational change, free energy calculations, reaction mechanism, transition state

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 18. 6. 2024
• Supervisor: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.
• Reader: Mgr. Stanislav Kozmon, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Biomolecular chemistry