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Mesoskopische Simulation der
Membran-zerstörenden Wirkung des Cyclotids Kalata B1
Autoren: Karina van den Broek, Hubert Kuhn, Achim Zielesny, Matthias Epple
Molekulare Fragment Dynamik (MFD) ist eine mesoskopische Simulationstechnik, die auf der Dissipativen Partikeldynamik (DPD)
basiert. Im Gegensatz zu DPD-Partikeln, die im Allgemeinen
nicht mit chemischen Substanzen identifiziert werden, benutzt
die MFD-Variante kleine Moleküle (Fragmente) als elementare,
interagierende Entitäten. Größere Moleküle werden als Ketten
dieser Fragmente repräsentiert, die durch harmonische Federn
verbunden werden. Die MFD-Technik wurde bereits erfolgreich
für die Formulierung von Tensiden und Polymeren1-3 angewandt,
aber auch für die Darstellung von biomolekularen Systemen, die
Phospholipidmembranen, Petide und Proteine enthalten4.
Kalata B1 (kB1) ist ein pflanzliches Peptid, bestehend aus 29 Aminosäuren. Zusätzliche zu seiner natürlichen Abwehrfunktion in
Pflanzen, haben diese Cyclotide hämolytische, anti-Krebs und
HIV- Eigenschaften. Die molekulare Struktur (I) dieser einzigartigen
Peptidfamilie wird durch eine besondere chemische und biologische Stabilität, dank dreier konservierter Disulfidbindungen (gelb),
charakterisiert. Diese Bindungen bilden – zusammen mit dem zyklischen Rückgrat – das cyclic-cystine-knot-(CCK)-Motiv. Die Regionen zwischen dem CCK werden Loops genannt (l1 to l6)5.
I
Phospholipid DMPC
Methylacetate
(MeAc)
Ethane
(Et)
Ethane
(Et)
Ethane
(Et)
Ethane
(Et)
Ethane Methylacetate
(Et)
(MeAc)
Dimethylphosphate
(DMPN)
Trimethylamine
(TriMeNP)
Ethane
(Et)
Dimethylphosphate
(DMPN)
Ethane
(Et)
Ethane
(Et)
Ethane
(Et)
Ethane
(Et)
Ethane
(Et)
Ethane Methylacetate
(Et)
(MeAc)
Trimethylamine
(TriMeNP)
Kürzlich haben MFD-Simulationen die Membran-zerstörende Wirkung von kB1 gezeigt4. Ziel dieser Arbeit ist es, die zytotoxische
Wirkung des Peptids weiter zu erforschen und die Testsysteme zu
optimieren. Weiterhin sollen Mutationen sowie “Protein Grafting”
untersucht werden.
V
II
0.9 µs
0.0 µs
Start geometry – Minimization – Simulation:
• 51x51x51 nm3 box with 959.000 fragments (800.000 bulk water molecules, 40.000 vesicle water molecules, 2.200
outer vesicle DMPC molecules, 1.800 inner vesicle DMPC molecules, 1.000 Kalata B1 cyclotides)
• 100 inner and initial minimization steps
• Temperature: 293 K
• Protein backbone force constant kBB = 2.0
PDB: 1NB1
III
Ethane
(Et)
• Display: H2O bulk (mint), H2O vesicle (cyan), DMPN (blue), Et (olive), MeAc (orange), TriMeNP (red), Kalata
B1 backbone fragments only: Hydrophobic patch (white), hydrophilic patch (orange), charged amino acid
residues (positive: blue, negative: red)
• Start geometry: Overlay of sphere compartments for vesicle, xy-layer compartment with randomly oriented
Kalata B1 3D structures
• PBC in x and y direction
• Physical simulation time is 0.9 µs
180°
VI
Der Wirkungsmechanismus (IV) des Peptids erfordert einen initialen Angriff auf die Membran über einen bioaktiven Bereich (III,
blau). Anschließend interagiert eine hydrophobe Region (III, grün)
von kB1 mit den Phospholipidschwänzen, wodurch das Peptid näher an die Membran gezogen wird und es schließlich zu einer teilweisen Insertion kommt6-8.
1
2
Natural scaffold
Protein Grafting
3
Possible Applications
1. Ryjkina, E.; Kuhn, H.; Rehage, H.; Müller, F.; Peggau, J.: Molecular dynamic computer simulations of phase behavior of non-ionic surfactants. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 6: 983-986.
2. Schulz, S. G.; Kuhn, H.; Schmid, G.; Mund, C.; Venzmer, J.: Phase behavior of amphiphilic polymers: A dissipative particles dynamics study. Colloid. Polym. Sci. 2004, 283: 284–290.
3. Truszkowski, A.; Epple, M.; Fiethen, A.; Zielesny, A.; Hubert, K.: Molecular fragment dynamics study on the water-air interface behavior of non-ionic polyoxyethylene alkyl ether surfactants. J. Colloid. Interface. Sci. 2013, 410: 140–145.
4. Truszkowski, A.; van den Broek, K.; Kuhn, H.; Zielesny, A.; Epple, M.: Mesoscopic Simulation of Phospholipid Membranes, Peptides and Proteins with Molecular Fragment Dynamics. J. Chem. Inf. Model. 2015, 55: 983-997.
5. Craik, D. J.; Daly, N. L.; Bond, T.; Waine, C. Plant Cyclotides: A Unique Family of Cyclic and Knotted Proteins That Defines the Cyclic Cystine Knot Structural Motif. J. Mol. Biol. 1999, 294: 1327–1336.
6. Huang, Y. H.; Colgrave, M. L.; Daly, N. L.; Keleshian, A.; Martinac, B.; Craik, D. J.: The Biological Activity of the Prototypic Cyclotide Kalata B1 Is Modulated by the Formation of Multimeric Pores. J. Biol. Chem. 2009, 284 (31):, 20699–20707.
7. Wang, C. K.; Wacklin, H. P.; Craik, D. J.: Cyclotides Insert into Lipid Bilayers to Form Membrane Pores and Destabilize the Membrane through Hydrophobic and Phosphoethanolamine-Specific Interactions. J. Biol. Chem. 2012, 287 (52): 43884–43898.
8. Henriques, S. T.; Huang, Y. H.; Chaousis, S.; Sani, M. A.; Poth, A. G.; Separovic, F.; Craik, D. J.: The Prototypic Cyclotide Kalata B1 Has a Unique Mechanism of Entering Cells. Chem. Biol. 2015, 22 (8): 1087–1097.
Kontakt
Prof. Dr. Achim Zielesny
August-Schmidt-Ring 10
45665 Recklinghausen
Tel.: 02361/915-530
E-Mail: [email protected]
Westfälische Hochschule
Fachbereich Elektrotechnik und angewandte Naturwissenschaften RE
www.w-hs.de

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