Transferència d’electrò i protó als intermediaris de reacció de les hemo-catalases

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a l’University of Pennsylvania, EUA, entre els mesos d’agosta a desembre del 2006. Les hemo-catalases són enzims que protegeixen les cèl•lules dels efectes tòxics del peròxid d'hidrogen. Aquesta reacció té lloc en dues etapes, via l'intermediari Compost I (Cpd I). Tanmateix, el Compost I pot seguir una reacció secundària, a través de l'intermediari Compost II. Hi ha dos tipus d'hemo-catalases: les hemo-b (com la d'Helicobacter pylori, HPC) i les hemo-d catalases (com la de Penicillium vitale, PVC). Experimentalment s'observa que les hemo-b catalases formen Cpd II més fàcilment que les hemo-d. La formació del Cpd II consta de dos processos: la reducció del catió radical porfirínic i la protonació del grup oxoferril. Durant l'estada, es va estudiar el procès de transferència electrònica a la porfirina utilitzant una metodologia desenvolupada recentment. Els resultats mostren que per PVC la reducció és més fàcil que per HPC. Posteriorment hem realitzat una sèrie de optimitzacions de geometria CPMD QM/MM al llarg del camí per la transferència de protó (PT) de la histidina distal a l'oxoferril. Mentre que per HPC aquesta PT és espontània, per PVC l'isòmer hidroxoferrílic és menys estable que el catió imidazoli.

Estudios estructurales de relaxasas involucradas en el proceso de conjugación bacteriana

La transferencia horizontal genética en bacterias se produce mediante tres procesos principales: transformación, transducción y conjugación. Este último proceso es considerado uno de los mecanismos más relevantes en la evolución bacteriana y se caracteriza por su eficiencia en la adquisición de nuevos rasgos adaptativos, como ser la resistencia a antibióticos. Existen dos tipos de plásmidos que pueden ser transferidos mediante el proceso de conjugación: conjugativos y movilizables. Los conjugativos son auto-transmisibles ya que codifican todas las proteínas necesarias para la formación del sistema de secreción (ej. F y R388 de Escherichia coli). Los movilizables, por el contrario, son solo transmisibles en presencia de funciones conjugativas adicionales (ej. pMV158 de Streptococcus agalactiae). El proceso de conjugación se inicia con el corte de un enlace específico fosfo-diéster del ADN a ser transferido mediante una proteína denominada relaxasa. Es el caso de la proteína TrwC del plásmido conjugativo R388, cuyos estudios bioquímicos y estructurales demostraron que la presencia de una tríada de histidina, coordinada a un ión metálico, y dos residuos tirosina juegan un rol decisivo en el mecanismo catalítico. Un estudio sistemático, por difracción de rayos X ha permitido determinar la identidad y función del ión metálico, la localización de la segunda tirosina catalítica y la posición del grupo fosfato del enlace fosfo-diéster a ser cortado. Asimismo, se caracterizó por difracción de rayos X, la proteína MobM del plásmido movilizable pMV158. Esta proteína cumple un papel homólogo al de la TrwC, pero en una bacteria Gram positiva. La estructura cristalina de MobM es la primera obtenida de una relaxasa implicada en el sistema de movilización de una bacteria Gram positiva. Las similitudes y diferencias estructurales se describirán en este informe.

Understanding the two-component sensing System of virulent bacteria

Report for the scientific sojourn carried out at the l’ Institute for Computational Molecular Science of the Temple University, United States, from 2010 to 2012. Two-component systems (TCS) are used by pathogenic bacteria to sense the environment within a host and activate mechanisms related to virulence and antimicrobial resistance. A prototypical example is the PhoQ/PhoP system, which is the major regulator of virulence in Salmonella. Hence, PhoQ is an attractive target for the design of new antibiotics against foodborne diseases. Inhibition of the PhoQ-mediated bacterial virulence does not result in growth inhibition, presenting less selective pressure for the generation of antibiotic resistance. Moreover, PhoQ is a histidine kinase (HK) and it is absent in animals. Nevertheless, the design of satisfactory HK inhibitors has been proven to be a challenge. To compete with the intracellular ATP concentrations, the affinity of a HK inhibidor must be in the micromolar-nanomolar range, whereas the current lead compounds have at best millimolar affinities. Moreover, the drug selectivity depends on the conformation of a highly variable loop, referred to as the “ATP-lid, which is difficult to study by X-Ray crystallography due to its flexibility. I have investigated the binding of different HK inhibitors to PhoQ. In particular, all-atom molecular dynamics simulations have been combined with enhanced sampling techniques in order to provide structural and dynamic information of the conformation of the ATP-lid. Transient interactions between these drugs and the ATP-lid have been identified and the free energy of the different binding modes has been estimated. The results obtained pinpoint the importance of protein flexibility in the HK-inhibitor binding, and constitute a first step in developing more potent and selective drugs. The computational resources of the hosting institution as well as the experience of the members of the group in drug binding and free energy methods have been crucial to carry out this work.