مطالعه برهم­کنش پروتئین آستروپسین A و پاکلی­ تاکسول با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی و معادله پواسون- بولتزمن تطبیقی (APBS)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان تبریز، تبریز، ایران

2 گروه شیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

3 گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

4 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

چکیده

در این مطالعه، برهم کنش مولکول پاکلی تاکسول با پروتئین آستروپسینA در محیط آبی از طریق شبیه سازی دینامیک مولکولی و معادله پواسون- بولتزمن مطالعه شده است. انرژی اتصال ما بین پاکلی‌تاکسول و آستروپسینA به کمک معادله پواسون- بولتزمن در سیستم های به تعادل رسیده محاسبه شده و با روش دینامیک مولکولی شبیه سازی شده است. هدف اصلی در این مطالعه، بررسی سایت های فعال برای ایجاد برهم کنش موثر ما بین نانوذرات دارو و پروتئینها و همچنین تشکیل چهارچوبی برای دارو توسط پروتئین ها می باشد که بدین منظور از یک ، دو ، سه ، چهار و پنج آستروپسینA استفاده شده است. همچنین نتایج شبیه سازی دینامیک مولکولی همچون شعاع چرخش ، تابع توزیع شعاعی و پیوند هیدروژنی مورد بحث قرار گرفته است. نتایج حاصل از شبیه‎سازی سیستم ها در حضور و عدم حضور پاکلی تاکسول مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می‎دهند با اضافه کردن هر چه بیشتر آستروپسینA به پاکلی تاکسول، حلالیت پاکلی تاکسول در آب افزایش می‎یابد. همچنین مشخص می‎شود اسیدآمینه های گلایسین ٢، لوسین ٢١، فنیل ١٤، سیستئین 3، پیروگلوتامیک اسید ١ بیشترین برهم-کنش با پاکلی تاکسول در سیستم های به ترتیب شامل یک، دو ، سه، چهار و پنج آستروپسین A دارند. نتایج نشانگر این است که با افزایش تعداد آستروپسینA، میزان اتصال پاکلی تاکسول به آستروپسینA ، افزایش می یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Study of the interactions between asteropsin_A and paclitaxel by the use of molecular dynamics simulation and MM-PBSA

نویسندگان [English]

  • Jaber Jahanbin sardroodi 1
  • Mitra Dabbagh hoseini poor 2
  • Masoumeh Ighaei bonab 3
  • Alireza Rastkar ebrahim zadeh 4

1 Department of chemistry,Faculty of Basic Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran

2 Department of chemistry, Faculty of Basic Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran

3 Department of chemistry, Faculty of Basic Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran

4 Department of physics, Faculty of Basic Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran

چکیده [English]

In this paper, the interactions between paclitaxel molecule and asteropsin_A protein in the aqueous media have been studied by molecular dynamics simulation and MM-PBSA method. The binding energies between paclitaxel and asteropsin_A have been evaluated by the help of MM-PBSA in these systems after equilibration and simulation. The main goal of this study is investigated the active sites to create effective interactions between drug nanoparticles and proteins and also to form a framework for drug by proteins, for this purpose used one, two, three, four and five asteropsin_A. The results of molecular dynamics simulations, such as radius of gyration, radial distribution functions and hydrogen bonding, have been discussed. The results were analyzed by the comparing their values in the systems with and without Paclitaxel. The results show that by increasing the number of asteropsin_A in the systems, the solubility of paclitaxel in water increases. Also, the results show that the residues Gly2, Leu21, Cys3, Phe14 and PGa1 have maximum interactions with paclitaxel in the systems containing one, two, three, four and five asteropsin_A proteins, respectively. The results represent that increasing the number of asteropsin A, lead to increasing the binding affinity of drug to proteins.

کلیدواژه‌ها [English]

  • molecular dynamics simulation
  • Paclitaxel
  • Asteropsin A
  • Interaction
  • MM-APBS

مطالعه برهم­کنش پروتئین آستروپسینA و پاکلی­تاکسول با استفاده ازشبیه سازی دینامیک مولکولی و معادله پواسون- بولتزمن تطبیقی (Adoptive Poison-Boltezman software)

جابرجهان­بین سردرودی،٢، میترا دباغ حسینی پور١،٢،معصومه ایقایی بناب١،٢ و علیرضا راستکار ابراهیم­زاده١،3

١ ایران، تبریز، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان،  دانشکده علوم پایه، آزمایشگاه شبیه­سازی مولکولی

٢ ایران، تبریز، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان،  دانشکده علوم پایه، گروه شیمی

3 ایران، تبریز، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان،  دانشکده علوم پایه، گروه فیزیک

تاریخ دریافت: 01/03/1398          تاریخ پذیرش: 04/06/1398

چکیده

در این مطالعه، برهمکنش مولکول پاکلی­تاکسول با پروتئین آستروپسینA در محیط آبی از طریق شبیه­سازی دینامیک مولکولی و معادله پواسون- بولتزمن مطالعه شده است. انرژی اتصال ما بین پاکلی­تاکسول و آستروپسینA به کمک معادله پواسون- بولتزمن در سیستمهای به تعادل رسیده محاسبه شده و با روش دینامیک مولکولی شبیه­سازی شده است. هدف اصلی در این مطالعه، بررسی سایتهای فعال برای ایجاد برهمکنش مؤثر بین نانوذرات دارو و پروتئینها و همچنین تشکیل چهارچوبی برای دارو توسط پروتئینها می­باشد که بدین منظور از یک ، دو ، سه ، چهار و پنج آستروپسینA استفاده شده است. همچنین نتایج شبیه­سازی دینامیک مولکولی همچون شعاع چرخش، تابع توزیع شعاعی و پیوند هیدروژنی مورد بحث قرار گرفته است. نتایج حاصل از شبیه‎سازی سیستم­ها در حضور و عدم حضور پاکلی­تاکسول مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می‎دهند با اضافه کردن هر چه بیشتر آستروپسینA به پاکلی­تاکسول، حلالیت پاکلی­تاکسول در آب افزایش می‎یابد. همچنین مشخص می‎شود اسیدآمینه­های گلایسین ٢، لوسین ٢١، فنیل ١٤، سیستئین 3، پیروگلوتامیک اسید ١ بیشترین برهمکنش با پاکلی­تاکسول در سیستمهای به ترتیب شامل یک، دو ، سه، چهار و پنج آستروپسین A دارند. نتایج نشانگر این است که با افزایش تعداد آستروپسینA، میزان اتصال پاکلی­تاکسول به آستروپسینA ، افزایش می­یابد.

واژه های کلیدی: شبیه­سازی دینامیک مولکولی، پاکلی­تاکسول، آستروپسینA، برهمکنش، مکانیک مولکولی با معادله پواسون-بولتزمن.

* نویسنده مسئول: تلفن: 31452043-041  ،  پست الکترونیکی: [email protected]

مقدمه

 

سرطان یکی از مرسوم­ترین بیماری­ها در دنیا بوده و یکی از روش­های درمان ، شیمی درمانی است (10). تاکسان یکی از داروهای شیمی درمانی می­باشد. حلالیت تاکسان بر اساس رهایش دارویی است (9). دو مورد از تاکسان، پاکلی­تاکسول و دوستاکسول است که از مهمترین روش درمان پیشرفته و مخصوصاً برای درمان سرطان کبد می­باشد. تاکسانها، سبب پایداری میکروتوبول­ها به دلیل متوقف کردن میتوز بعد از G2 یا چرخه در فاز M، می­شوند که نشانگر محدودۀ وسیع فعالیت در چندین تومور از جمله سرطان تخمدان و شش است (20، 28 و 29). پاکلی­تاکسول از پوست درخت سرخدار به دست آمد (16). تهیه ترکیبات فعال با این روش می­تواند برخی مشکلات بهمراه داشته باشد که از جمله آنها می­توان به: مقدار کم ترکیبات فعال در گیاه، رشد تدریجی گیاه و تخریب منابع طبیعی اشاره کرد (15). چندین خواص پزشکی برای پاکلی­تاکسول مطالعه و کشف گردید. پاکلی­تاکسول در شیمی درمانی‎ طیف وسیعی از سرطانها از جمله سرطان تخمدان، پستان، شُش، مثانه، پروستات، ملانوم، مری و Kaposi’s sarcoma به کار می­رود. کاربرد بالینی اخیر که بمنظور کاهش اثرات جانبی جدی بکار می­رود، کروموفور ای ال (cremophor EL) است. نانوذرات پلیمرهای زیست تخریب­پذیر می­توانند یک راه­حل مناسبی برای افزایش حلالیت پاکلی­تاکسول باشند و رهایش دارویی کنترل­شده با کارآیی بیشتر و اثر جانبی کمتر ایجاد کنند. امروزه با بهینه کردن اندازۀ ذرات و سطح پوشیده آنها، نانوذرات توانایی به سزایی در ترویج شیمی درمانی ایفا می­کنند: 1) شیمی درمانی فردی: که بنا به نیاز شخصی بیمار به کار می­رود. 2) شیمی درمانی موضعی: رهایش هدفمند داروهای ضد سرطانی 3) شیمی درمانی پایدار: بدون اینکه دارو به حضور چند داروی دیگر مقاومت نشان دهد 4) عبور از سد خونی-مغزی: به دلیل اندازه کوچک نانوذرات می­توانند از سد خونی –مغزی عبور کنند. 5) شیمی درمانی در جایی که بیمار در آن اقامت دارد: به صورت داروهای قابل مصرف دهانی، بینی و چشمی که توسط خود بیمار قابل استفاده است (28).

 

 

شکل ١- ساختار شیمیایی پاکلی­تاکسول

 

به منظور افزایش کارایی دارو، غلظت دارو می­تواند افزایش داده شود ولی در این مورد، بر سمیت و اثرات جانبی دیگر نیز افزوده می­شود. پاکلی­تاکسول حلالیت کمی در آب دارد (24) بنابراین رهایش دارویی جدید نیازمند بهبود فعالیت دارویی آن می­باشد، بدین معنی که برای کاهش اثرات جانبی و افزایش حلالیت پاکلی­تاکسول، نیازمند استفاده از نانوذرات بوده که این امر سبب پیشرفت در رهایش دارویی نوین شده است (37). تاکنون ولف و همکارانش (13)، برهمکنش میان ورقه­های توبولین که حاوی روی القاء شده است، با تاکسول مورد بررسی قرار دادند. مطالعات نشان داده است که در محل اتصال تاکسول، توبولین ساختار پایداری از خود نشان می­دهد. برهمکنش اصلی میان توبولین با تاکسول در لوپ B8-H9 مشاهده می­شود (شکل 1). در مطالعه دیگری که توسط سناپاتی و ناتارجان (32) انجام یافته است، برهمکنش میان تاکسول با دو نوع پروتئین شامل توبولین وحشی و سه نوع توبولین جهش یافته ، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می­دهد که توبولین جهش یافته انعطاف­پذیر تر از توبولین وحشی است . جهشها محل اتصال با تاکسول را تغییر داده و سبب ضعیف ­شدن پیوند می­شود . گیانناکاکو و همکارانش (١5) و کاوالاریس و همکاران (8).، برهمکنش اپوتیلون که یک داروی ضد سرطان است، با سلولهای سرطانی مقاوم به دارو را مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشانگر این است که مقاومت سلولهای سرطانی به دارو میزان کارایی دارو را کاهش داده و سبب عدم پایداری میکروتوبول­ها می­شود. مقاوم بودن سلولهای سرطانی بدلیل وجود جهش در این سلولها مشاهده شد. به منظور اتصال دارو به سلولها، جهش دیگر در این سلولها باید انجام شود تا سبب پایداری آن شود. وانگ و همکارانش (7) به بررسی برهمکنش پاکلی­تاکسول با β-توبولین پرداختند. در این مطالعه به روش داکینگ انرژی اتصال، الکترواستاتیکی و انرژی پیوند هیدروژنی کمپلکس پاکلی­تاکسول-اسیدهای آمینه توبولین و سپس با شبیه‎سازی دینامیک مولکولی پاکلی­تاکسول با β-توبولین محاسبه انرژی کمپلکس پاکلی­تاکسول-اسیدهای آمینه توبولین را انجام دادند. همچنین صرفا به کمک داکینگ، انرژیهای مورد نیاز کمپلکس پاکلی­تاکسول- اسیدهای آمینه توبولین را محاسبه کردند. از این نتایج می­توان به برهمکنش پایدار پاکلی­تاکسل با اسیدهای آمینه توبولین دست یافت. پروتئینها با حلالیت بالا می­توانند به عنوان سیستم رهایش استفاده شوند. آستروپسین A بدلیل داشتن پپتیدهای گره­دار با آرایش مولکولی دی­سولفید صلب و سه β-sheet fold، یک قالب جدید برای داروهای پپتیدی خوراکی، به دلیل مقاومت پروتئولیتیک و شیمیایی نسبتاً قوی آنها، مورد توجه همگان قرار گرفته است. تاکنون آستروپسینA در اسفنج دریایی یافت شده است (25). آستروپسینA تنها یکی از چهار پپتید مشتق شده از اسفنجی است که دارای دو قسمت مساوی از دی‎سولفید می­باشد. ساختار کریستالی آن، شامل N- ترمینال پیروگلوتامیک اسید، کنفورماسیون سیس- ترانس پرولین و جفت دی­سولفید می­باشد. N- ترمینال پیروگلوتامیک اسید برای کنفورماسیون مناسب پپتیدها مهم است. از چهار پپتید، دوتای آن دارای ساختار سیس است. در ساختار آستروپسین A، سه β-sheet غیر موازی پل دی­سولفید وجود دارد. دو تا از آنها در وسط ساختار و سومین پل دی­سولفید در نزدیکی همسایه N- ترمینال واقع شده است. آستروپسین A دارای اسید آمینۀ اسیدی است. فعالیت بیولوژیکی متمایز همراه با ویژگیهای متعدد دیگر مانند توالی کم، تشکیل N- ترمینال پیروگلوتامیک اسید و سیس پرولین، آستروپسین A را از دیگر پپتیدهای گره­دار مشتق شده از اسفنج دریایی متمایز می­کند (26).

در رهایش دارویی، آزاد­سازی مولکولهای بیولوژیکی متأثر از تجمع مولکولهای بیولوژیکی می­باشد. برای درک بهتر مولکولهای بیولوژیکی با مولکولهای آب نیازمند کنترل پدیده تجمع در محیط آبی می­باشد. در این کار پژوهشی به منظور درک بهتر برهمکنش و تجمع آستروپسینA در محلول آبی پاکلی­تاکسول، محلولهای آبی پاکلی­تاکسول شبیه­سازی شد. بدین منظور بهینه­سازی ساختار الکترونی حالت پایه پاکلی­تاکسول و بخشی از اسید آمینه آستروپسین A با استفاده از تئوری چگالی احتمال بدست آمده است. برای طراحی دارو، بررسی برهمکنش ­های این تحقیق بین دارو و نانوذرات پروتئینی از اهمیت به سزایی برخوردار است. شبیه سازی دینامیک مولکولی یکی از روشهای محاسباتی است که می­توان برای طراحی دارو و برهمکنش­های بین مولکولی از آن استفاده کرد (3). با توجه به تعدد گروههای عاملی پاکلی تاکسول و ساختار نسبتاً پیچیده آن، به منظور افزایش احتمال برقراری تمام برهمکنش­های ممکن، بیش از یک عدد پروتئین استفاده شد. همچنین برای بررسی چگونگی و میزان وابستگی خواص مورد مطالعه به تعداد پروتئینها، برهمکنش پاکلی تاکسول با یک تا پنج پروتئین شبیه سازی شد.

مواد و روشها

مراحل شبیه­سازی: محاسبات تئوری تابع چگالی (4) به منظور دستیابی به ساختار بهینه ­شده مولکول پاکلی­تاکسول و زنجیر جانبی اسید آمینه مولکول آستروپسین A به کار برده شد. این محاسبات با استفاده از تابعیت هیبریدی (6) B3LYP/6-311G (23) انجام گرفت. تمامی محاسبات با استفاده از برنامه G09 (30) برای دستیابی به سیستم شبیه­سازی ساختار الکترونی مولکولی و اتمی به کار گرفته شد. ساختار شبیه­سازی شده آنها که توسط این محاسبات به دست آمد و به­عنوان نقطه آغازین آرایش در شبیه­سازی دینامیک مولکولی مورد استفاده قرار گرفت، در شکل ٢ نشان داده شده است.

 

 

O

C

H

N

الف)

 

 

 

 

 

 

 

 

O

H

N

C

ب)

 

شکل٢- ساختار بهینه شده الف) مولکول پاکلی­تاکسول ب) زنجیر جانبی اسید آمینه مولکول آستروپسینA

 

شبیه­سازی دینامیک مولکولی با نرم افزار گرومکس (22) نسخه ٤.٥.٤ انجام گرفت. میدان نیروی استفاده شده جهت شبیه­سازی، GROMOS 53a6 (33) است. به منظور انجام شبیه­سازی سیستم، جعبه مربعی ایجاد شد تا تعداد مولکولهای آبی که به آن اضافه می­شود، تعیین شود. افزودن تعداد آستروپسین A به سیستم با استفاده از دستورهای نرم­افزار گرومکس انجام گردید. در همه شبیه­سازیها، دما و فشار با استفاده از الگوریتم برندسن(21) به ترتیب در 310 کلوین و 1 بار تنظیم گردید. طول پیوند با الگوریتم (14) LINCS به دست آمد. الگوریتم مش اوالد ذرات (11) به منظور برهمکنش طولانی برد به کار گرفته شد. برهمکنش لنارد-جونز با شعاع قطع ٦/١ نانومتر انتخاب گردید. لیست همسایه هر ٥ گام یکبار تنظیم شد. زمان هر گام  فمتو ثانیه برای انتگرال­گیری از معادله حرکت (5) استفاده گردید. شبیه­سازی بعد از انجام تعادل و در دما و فشار ثابت، ٥٠ نانوثانیه طول کشید. بعد از انجام شبیه­سازی به بررسی فشار، دما و انرژی سیستمهای مورد مطالعه پرداخته و همگرایی تمامی سیستمها در طول شبیه­سازی مشاهده گردید که بعنوان نمونه سیستم پاکلی­تاکسول+ یک آستروپسین A در نمودارهای 1 تا 3 نشان داده شده است.

 

 

 

 

نمودار1-همگرایی فشار در طول شبیه­سازی در سیستم شامل پاکلی­تاکسول+یک آستروپسین A

 

 

 

نمودار2-همگرایی انرژی طول شبیه­سازی در سیستم شامل پاکلی­تاکسول+یک آستروپسین A

 

 

نمودار3-همگرایی دما در طول شبیه­سازی در سیستم شامل پاکلی­تاکسول+یک آستروپسین A

 

خلاصه شبیه­سازی در جدول 1 گردآوری شده است.

جدول١- خلاصه شبیه­سازی دینامیک مولکولی

تعداد مولکول پاکلی­تاکسل

Aتعداد مولکول آستروپسین

تعداد مولکول حلال

١

٠

١٣٨٣

٠

١

٦٢٤٢

٠

٢

٤٨٧٢

٠

٣

٤٧٠٩

٠

٤

٣٧٦٩

٠

٥

٣٤٩٠

١

١

٦٢٢٣

١

٢

٤٨٣٣

١

٣

٤٤١٤

١

٤

٣٧١٤

١

٥

٣٤٢٨

 

محاسیات انژری آزاد حلال­پوشی و اتصال: به منظور محاسبه انرژی آزاد حلال­پوشی و انرژی آزاد اتصال لیگند ( پاکلی­تاکسول ) و پروتئینها ( آستروپسین A )، ساختار کمپلکس آنها، پروتئین و دارو در آخرین مرحله شبیه­سازی با فرمت pdb (19) ذخیره شد. سپس با استفاده از نرم­افزار AUTODOCK نسخه ٢.٠.٤ (17) فایل pdb به فایل PQR (12) تبدیل شد که شامل اطلاعات شعاع اتمی و بار است. با نرم­افزار PYMOL (27) سطح مولکولی کمپلکسها مشاهده گردید. روش محاسبه دینامیک مولکولی با معادله پواسون- بولتزمن (36) برای محاسبه انرژی آزاد اتصال به کار گرفته شد. انرژی آزاد اتصال به صورت زیر محاسبه می­شود:

∆G bind=∆G complex – ( ∆G protein - ∆G drug )    (معادله 1)

میدان نیروی CHARMM  استفاده گردید و ثابت حل­شونده و حلال به ترتیب ٢ و ٥٤/٧٨ استفاده شد (٣5). معادله زیر برای محاسبه انرژی آزاد حلال پوشی به کار گرفته شد:

       ∆G solv= G el– G vacuum           (معادله 2) 

انرژی آزاد حلال­پوشی در خلأ با ثابت دی الکتریک ١ و در محیط حلال با ثابت دی الکتریک ٥٤/٧٨ محاسبه شد (31 و 34). برای محاسبه انرژی آزاد الکترواستاتیک نیز از روش محاسبه دینامیک مولکولی با معادله پواسون- بولتزمن استفاده گردید.

نتایج و بحث

برخی از داروهای ضد سرطانی مانند پاکلی­تاکسل، باعث مهار فرآیند پلیمریزاسیون میکروتوبول­ها می­شوند. به منظور طراحی و توسعه چنین داروهای ضد سرطانی، این ترکیبات توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است (1). امروزه با استفاده از شبیه­سازی دینامیک مولکولی و سایر روشهای محاسباتی، طراحی دارو سریع­تر و با درصد خطای کمتری می­تواند انجام پذیرد (2).

شبیه­سازی دینامیک مولکولی کمپلکسهای لیگند- نانوذرات پروتئین در ٥٠ نانوثانیه انجام یافت. تصاویر مرحله نهایی سیستمهای پاکلی­تاکسول- آستروپسین A- آب در شکل ٣ الف تا ٣ ث نشان داده شده است. در تصاویر مربوطه مولکولهای آب نشان داده نشده است.

 

الف)

 

ب)

 

پ)

 

ت)

 

ث)

 

شکل ٣- تصاویر شبیه­سازی دینامیک مولکولی بعد از ٥٠ نانوثانیه در سیستمهای شامل پاکلی­تاکسول با آستروپسین A در آب، الف) سیستم شامل یک آستروپسین A ، ب) سیستم شامل دو آستروپسین A ، پ) سیستم شامل سه آستروپسین A ، ت) سیستم شامل چهار آستروپسین A و ث) سیستم شامل پنج آستروپسین A.

 

 

مقادیر شعاع چرخش آستروپسینA در حضور و عدم حضور پاکلی­تاکسول در جدول ٢ نشان داده شده است.

شعاع چرخش پروتئین، با حضور وعدم حضور پاکلی­تاکسول، افزایش یافته است. جدول2 نشان می‎دهد با زیاد کردن تعداد مولکولهای پروتئین مقدار شعاع چرخش افزایش می‎یابد ولی نرخ این افزایش به تدریج کم می‎شود که بیانگر جمع شدن مولکولهای پروتئین در اطراف پاکلی­تاکسول می‎باشد.

در نمودار 4 مشاهده می­شود که شعاع چرخش بر حسب تعداد پروتئین به شکل خطی افزایش می­یابد.

جذر میانگین مربع نوسانات اتمی پاکلی­تاکسول در سیستمهای شبیه­سازی شده شامل آستروپسین A – پاکلی­تاکسول در 10 نانوثانیه نهایی در جدول ٣ گنجانده شده است.

 

جدول ٢- شعاع چرخش آستروپسین A در حضور و عدم حضور پاکلی­تاکسول در سیستمهای مختلف در 10 نانوثانیه نهایی.

سیستم­ها

شعاع چرخش ( نانومتر)

Aیک آستروپسین

٠.٧٩

-پاکلی­تاکسولAیک آستروپسین

٠.٨١

Aدو آستروپسین

١.29

-پاکلی­تاکسولAدو آستروپسین

١.8٧

Aسه آستروپسین

١.91

-پاکلی­تاکسولAسه آستروپسین

٢.٠٣

Aچهار آستروپسین

٢.٤٣

-پاکلی­تاکسولAچهار آستروپسین

٢.59

Aپنج آستروپسین

٢.63

-پاکلی­تاکسلAپنج آستروپسین

٢.74

 

جدول٣- میانگین مقادیر جذر میانگین مربع نوسانات اتمی پاکلی­تاکسول در سیستمهای شبیه­سازی شده مختلف شامل پاکلی­تاکسل-آستروپسین A.

Aتعداد آستروپسین

میانگین مقدارجذر میانگین مربع نوسانات­اتمی پاکلی­تاکسول ( نانومتر)

١

٠.٠٩٣

٢

٠.٠٨٩

٣

٠.٠85

٤

0.080

٥

0.078

                                                                 

 

 

 

نمودار٤- شعاع چرخش آستروپسینA به ازای افزایش تعداد پروتئینها در سیستمهای مختلف پاکلی­تاکسول+ آستروپسینA در 10 نانوثانیه نهایی.

 

 

جدول نشان می­دهد که با افزایش تعداد آستروپسینA، از میزان نوسانات پاکلی­تاکسول کاسته می­شود. زیرا با افزایش تعداد پروتئین، آستروپسینA برای پاکلی­تاکسول ممانعت فضایی ایجاد کرده و احتمال احاطه شدن دارو توسط پروتئین افزایش یافته و از میزان نوسانات دارو کاسته شده است.

مقادیر حداقل فواصل ما بین پاکلی­تاکسول و آستروپسینA در 10 نانوثانیه نهایی شبیه­سازی در نمودار  5  نشان  داده

شده است.

با توجه به نمودار 5، می‎توان نتیجه گرفت با افزایش تعداد نانوذرات پروتئینی، حداقل فواصل بین پاکلی­تاکسول و آستروپسینA کاهش یافته است و با کاهش فواصل بین دارو و پروتئین برهمکنش دارو با پروتئین افزایش یافته و به دلیل آرایش پاکلی­تاکسول و آستروپسینA، دارو توسط نانوذرات پروتئینی احاطه شده است.

به منظور تعیین پایداری پیوند هیدروژنی مابین پاکلی­تاکسول و هریک از اسیدآمینه­های آستروپسین A، آنالیز پیوند هیدروژنی انجام یافت. با توجه به آنالیز، قدرت برهمکنش­ها در طول شبیه­سازی متفاوت بود. پیوند هیدروژنی مابین اسید آمینه­های متفاوت مولکول پروتئین و دارو در طول شبیه­سازی در جدول4 نشان داده شده است.

با توجه به جدول فوق اسیدآمینه­های مختلف آستروپسینA که با پاکلی­تاکسول در مسیر شبیه­سازی پیوند هیدروژنی داده­اند، نشان داده شده است، ولی تعداد پیوندهای هیدروژنی داده شده در تمامی اسیدآمینه­ها به یک میزان نبوده و در برخی تنها در لحظات بسیار کمی از زمان شبیه­سازی دیده شد ولی تعدادی از اسید آمینه­ها نیز در تمام مسیر، پس از حصول تعادل، پیوند هیدروژنی تشکیل داده‍اند.

 

 

نمودار5- حداقل فواصل به هنجار شده ما بین پاکلی­تاکسول و مجموعه آستروپسینA در سیستمهای مختلف در 10 نانوثانیه نهایی.

جدول4- اسیدآمینه­های مختلف آستروپسین A در سیستمهای مختلف که با پاکلی­تاکسول پیوند هیدروژنی پیوند داده­اند.

اسیدآمینه‎های  پیوند داده

میانگین پیوند هیدروژنی در 10 نانوثانیه نهایی

سیستم مورد بررسی

پیروگلوتامیک اسید1، گلایسین2،والین12، فنیل آلانین14

 

0.964

 

 

 

پاکلی­تاکسول+یک آستروپسینA

گلوتامیک اسید6، گلوتامین13، لوسین21، لوسین23، تیروزین36

 

1.08

 

 

 

پاکلی­تاکسول+دو آستروپسینA

سیستئین3، گلوتامیک­اسید8، سرین9، فنیل­آلانین14، تیروزین15، تیروزین33، تیروزین 35

 

2.666

 

پاکلی­تاکسول+سه آستروپسینA

پیروگلوتامیک اسید1، گلایسین2، سیستئین3، گلوتامین 13، فنیل­آلانین14، تیروزین15، سیستئین17، پرولین19، لوسین21

 

3.706

 

پاکلی­تاکسول+چهار آستروپسینA

 

پیروگلوتامیک اسید1، سیستئین17، گلایسین20، تیروزین24، سیستئین25، آسپارژینین29

 

4.248

 

پاکلی­تاکسول+پنج آستروپسینA

       

 

در نمودار6، میانگین تعداد پیوند هیدروژنی مابین دارو و مولکولهای پروتئین برحسب افزایش تعداد آستروپسینA، در سیستمهای مختلف شبیه­سازی شدۀ دارو+پروتئین نشان داده شده است. در نمودار 6 مشاهده می­شود که تعداد پیوند هیدروژنی بین پاکلی­تاکسول و پروتئین به ازای هر پروتئین تقریباً ثابت است.

 

 

نمودار 6- تعداد میانگین پیوند هیدروژنی مابین پاکلی­تاکسول و آستروپسینA، به ازای افزایش تعداد پروتئینها در سیستمهای مختلف در 10 نانوثانیه نهایی.

 

با توجه به تجزیه و تحلیل تابع توزیع شعاعی پاکلی­تاکسول در اطراف زنجیر جانبی اسیدآمینه­ها در 10 نانوثانیه نهایی شبیه­سازی که در نمودار 7 نشان داده شده است و محل قله تیز آن، به وجود برهمکنش میان پاکلی­تاکسول با اسید آمینه­های مربوطه می­توان پی برد.

 

 

نمودار 7- تابع توزیع شعاعی اسیدآمینه­هایی که با پاکلی­تاکسول برهمکنش داده­اند.

 

پیکهای نشان داده شده در شکل نشانگر وجود برهمکنش مابین مولکولهای دارو و نانوذرات پروتئینی از نوع برهمکنش الکترواستاتیکی بار- بار می­باشد. همچنین این شکل نشان می­دهد که در سیستمهای پاکلی­تاکسول+ آستروپسینA، محل اولین قله تابع توزیع شعاعی در فواصل 0.5 تا 0.9نانومتر می­باشد که نشانگر وجود برهمکنش کولنی پاکلی­تاکسول با آستروپسین A در این فواصل است.

به منظور تعیین برهمکنش پاکلی­تاکسول و آستروپسین A، انرژی اتصال کمپلکس پاکلی­تاکسول + پروتئین (ΔGb )، انرژی آزاد حلال­پوشی پاکلی­تاکسول با پروتئین (ΔGs) و انرژی الکترواستاتیک (E ) برای سیستمهای مورد مطالعه، محاسبه  گردید. نتایج در جدول 5 نشان داده شده است.

 

 

جدول 5- مقادیر ΔGb، ΔGs و E در سیستم­های مختلف مورد مطالعه .

سیستم­ها

E (kJ/mol)

ΔGs (kJ/mol)

ΔGb(kJ/mol)

پاکلی­تاکسل

٠

-٠.٠١٣

̲

Aیک آستروپسین

-١354.٦٧

-2902.16

̲

یک آستروپسینA +پاکلی­تاکسول

-١79٤.٦٥

-3148.23

-١.14

دو آستروپسینA +پاکلی­تاکسول

-٢٩٨١.٧٥

-7144.84

-١.36

سه آستروپسینA+پاکلی­تاکسول

-٧٠٢٥.۰٥

-11900.46

-١.64

چهار آستروپسینA+پاکلی­تاکسول

-١١٩٥٤.٧٥

-14733.52

-1.97

پنج آستروپسینA+پاکلی­تاکسول

-١٩١٢٨.٧٤    

-20145.63

-2.05

     

 

اطلاعات این جدول نشان می­دهد که پاکلی­تاکسل انرژی آزاد حلال­پوشی کمی دارد که ناشی از حلالیت پایین آن در آب است. آستروپسینA دارای بیشترین انرژی آزاد حلال­پوشی می‎باشد. مقادیر منفی و بزرگ برای ΔGs ، به دلیل حلالیت بالای آستروپسینA در آب است. با اضافه کردن هر چه بیشتر آستروپسینA به پاکلی­تاکسول، انرژی آزاد حلال­پوشی پاکلی­تاکسول منفی‎تر می­شود. زیرا اتصال پاکلی­تاکسول به آستروپسینA از سمت آبگریز پاکلی­تاکسل به سمت آبگریز آستروپسین A اتفاق می­افتد و بنابراین قسمتهای آبدوست پاکلی­تاکسول و آستروپسینA در نزدیکی مولکولهای آب قرار گرفته و درنتیجه بر میزان حلالیت پاکلی­تاکسول افزوده می­شود.

مقادیر انرژی آزاد اتصال نشانگر قدرت بر­همکنش مابین پاکلی­تاکسول و آستروپسینA می­باشد. با توجه به جدول 5، با اضافه کردن تعداد آستروپسینA در سیستمهای پاکلی­تاکسول+ آستروپسینA، انرژی آزاد اتصال منفی‎تر می­شود. بنابراین بر میزان برهمکنش مابین پروتئینها و پاکلی­تاکسول افزوده می­شود.

مقدار انرژی الکترواستاتیک کل در سیستم دارای آستروپسینA در مقایسه با سیستم حاوی پاکلی­تاکسول و آستروپسینA بیشتر است که نشانگر وجود برهمکنش الکترواستاتیک مابین دارو و پروتئینها می­باشد.

با دقت در نمودارهای 8، 9 و 10 که نشان­دهنده میزان انرژی آزاد حلال­پوشی، اتصال و الکترواستاتیک به ازای هر پروتئین می­باشد، می توان دریافت که این کمیتها با تعداد پروتئین رفتار خطی دارند.

نتیجه­گیری

در این کار تحقیقاتی، سیستم­ پاکلی­تاکسول در حضور پروتئین آستروپسینA و همچنین بدون حضور آن با استفاده از فنون شبیه­سازی دینامیک مولکولی مورد مطالعه قرار گرفت.

 

 

 

 

نمودار 8- انرژی آزاد حلال­پوشی پاکلی­تاکسول+ آستروپسین A به ازای افزایش تعداد پروتئینها.

 

 

 

نمودار 9- انرژی اتصال پاکلی­تاکسول+ آستروپسین A به ازای افزایش تعداد پروتئینها.

 

نمودار 10- انرژی االکترواستاتیک پاکلی­تاکسول+ آستروپسین A به ازای افزایش تعداد پروتئینها.

 

نتایج به دست آمده از آنالیز ساختاری سیستمها نشان می‎دهند پروتئینهای افزوده شده به سیستم پاکلی­تاکسول+ آب در اطراف دارو تجمع می‎یابند. برهمکنش میان پاکلی­تاکسول و پروتئین به صورت انرژی اتصال با استفاده از روش مکانیک مولکولی با معادله پواسون- بولتزمن تعیین گردید. مقادیر منفی و نسبتاً بزرگ انرژی اتصال پاکلی­تاکسول- مولکول پروتئین نشان می­دهد که وجود آستروپسینA سبب افزایش حلالیت پاکلی­تاکسول در آب شده است. برخی پارامترهای ساختاری شامل تعداد پیوند هیدروژنی پاکلی­تاکسول+ آستروپسینA ، فاصله میانگین پاکلی­تاکسول+ آستروپسینA و موقعیت تابع توزیع شعاعی به دست آمده و نشانگر افزایش نسبی میزان برهمکنش پاکلی­تاکسول با آستروپسینA است. بنابراین آستروپسینA می­تواند یک عامل اصلاح‎کننده در کاربرد پاکلی­تاکسول باشد.

قدردانی

این کار تحقیقاتی توسط دانشگاه شهید مدنی آذربایجان حمایت شده است.

  1. 1- آریاپور، حسن. جواهری مقدم، مصطفی. دهنوخلجی، علی اکبر (1394) . طراحی ترکیبات کرومنی جدید با فعالیت ضد سرطانی و بررسی چگونگی میانکش آنها با توبولین به روش داکینگ مولکولی. مجله پژوهش­های سلولی و مولکولی. 28(2): 190-178.

    2- اخوان سپهی، عباس. حسینی، فرزانه. داوری، کامبیز. میرزایی، ساکو. نوروزی، جمیله (1398). کشف مهارکننده علیه بتالاکتاماز CTX-M-9باکتری E.coli با استفاده از مطالعات داکینگ مولکولی، MM/PBSA و دینامیک مولکولی. مجله پژوهش­های سلولی و مولکولی.32(1):46-33.

    3- رزمی منش، فریبا. رضایی مارنانی، حسین. صدیفیان، غلامحسین(1395). بررسی نفوذ داروهای آسپیرین و ایبوپروفن در غشاء دو لایه لیپیدی به کمک شبیه سازی دینامیک مولکولی. مجله پژوهش­های سلولی و مولکولی. 31(2).328-317.

     

    4.       Becke AD., (2014), Perspective: Fifty years of density-functional theory in chemical physics, J chem phys, 140(18) : 18A301-18A3018.

    1. Berendsen HJC., van der spoel D., van Drunen R.,(1995), Gromacs: A message –passing parallel molecular dynamics implementation, Computer physics communications, 91(1-3): 43-56.

    6.       Burke K., J.(2012), Perspective on density functional theory, chem. Phys., 136 (15): 150901-150909.

    7.       Chi S., Ge M., Jin Y., Shi Q., Wang S., Xu S., Zhang X.,(2011), Molecular dynamics simulation and density functional theory studies on the active pocket for the binding of paclitaxel to tubulin, Journal of Molecular Modeling, 18(1): 377-391.

    1. Cobon GS., Flemming CL., Haber M., Ivery MT., Kavallaris M., Liu M., Norris MD., Verrills NM., (2003), Microtubule Alterations and MutationsInduced by Desoxyepothilone B:Implications for Drug-Target Interactions, Chemistry & Biology, 10(7) : 597-607.
    2. Cresteil T., Monsarrat B., Dubois J., Sonnier M., Alvinerie P., Gueritte F., (2002), Regioselective metabolism of taxoids by human cyp3A4 and 2C8: structure-a ctivity relationship Drug Metab Dispos, 30 (2002) : 438-445.
    3. Cucinotto I., Fiorillo L., Gualtieri S., Arbitrio M., Ciliberto D., Staropoli N., Grimaldi A., et al, .(2013) Nanoparticle albumin bound paclitaxel in the treatment of human cancer: Nanodelivery reaches prime-time?,Journal of Drug delivery, 2013 (2013): 1-10.
    4. Deserno M., Holm C., (1998), How to mesh up Ewald sums. I. A theoretical and numerical comparisonof various particle mesh routines J chem phys, 109(18) : 7678-7693.
    5. Dolinsky TJ., Nielsen JE., McCammon JA., Baker NA., (2004), PDB2PQR: an automated pipeline for the setup of Poisson–Boltzmann electrostatics calculations, Nucleic Acids Research, 32: W665-W667.

    13.    Downing KH., Noqales E., Wolf SG., (1998), Structure of the alpha beta tubulin dimer by electron crystallography, Nature, 391(6663) : 199-203.

    1. Edberg R., Evans DJ., Morriss GP., (1986), Constrained molecular dynamics: Simulations of liquid alkanes with a new algorithm, J chem phys, 84(12): 6933-6939.
    2. Feng SS., Mu L., Win KY., Huang G.,(2004), Nanoparticles of biodegradable polymers for clinical administration of paclitaxel, Curr med chem, 11(4): 413-424.
    3. Frense D., (2007) ,Taxanes: perspectives for biotechnological production, Appl Microbiol Biotechnol, 73 (6): 1233-1240.
    4. Ghosh B., Satyshur KA., Czajkowski C., (2013), Propofol Binding to the Resting State of the Gloeobacter violaceus Ligand-gated Ion Channel (GLIC) Induces Structural Changes in the Inter- and Intrasubunit Transmembrane Domain (TMD) Cavities, J Biol Chem, 288 (24) :17420-17431.

    18.    Giannaakakou P., O, Brate Aurora, Wang Y., Zhou W., (2005), Resistance to Microtubule-Stabilizing Drugs Involves Two Events β-Tubulin Mutation in One Allele Followed by Loss of the Second Allele, Cell cycle, 4(12): 1847-1853.

    1. Hamelryck T., Manderick B., (2003), PDB file parser and structure class implemented in Python Bioinformatics, 19(17) : 2308-2310.
    2. Hawkins MJ., Soon-Shiong P., Desai N., (2008), Protein nanoparticles as drug carriers in clinical medicine , Advanced drug delivery Reviewes, 60(8): 876-885.
    3. Ighaei Bonab M., Jahhanbin J., Rastkar Ebrahimzadeh A., Mehrnejad F.,(2015), Molecular interactions in the systems composed of curcumin, water and single-walled carbon nanotube: A molecular dynamics simulation study, Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 12(9) : 2077-2083.
    4. Khadem- Maaref M., Mehrnejad F., Arzani Zonoz N., Ghahremanpour M.,(2012), Role of hydrophobic forces and backbone hydrogen bonding on helical stability of peptide encapsulated into single wall carbon nanotubes Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 9(6): 783-788.
    5. Krishnan R., Binkley JS., Pople JA.,(1980), Self-consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions, J. chem. Phys., 72(1): 650-654.
    6. Lee J., Lee SC., Acharya G., Chang CJ., Park K., (2003), Hydrotropic Solubilization of Paclitaxel: Analysis of Chemical Structures for Hydrotropic Property, Pharm Res, 20 (7) :1022-1030.

    25.    Li H., Bowling JJ., Fronczek FR., Hong J., Jabba SV.,et al.,(2013), Asteropsin A: An unusual cystine-crosslinked peptide from porifera enhances neuronal Ca2+ influx, Biochim Biophys Acta, 1830(3) : 2591-2599.

    26.    Li H., Su M., Hamann MT., Bowling JJ., Kim HS., Jung JH.,(2014), Solution Structure of a Sponge-Derived Cystine Knot Peptide and Its Notable Stability, J Nat Prod, 77(2): 304-310.

    1. Lill MA., Danielson ML.,(2011), Computer-aided drug design platform using pymol, J Comput Aided Mol Des, 25(1): 13-19.
    2. Ma P., Mumper RJ., (2013), Paclitaxel Nano-Delivery Systems: A Comprehensive Review, J Nanomed Nanotechnol, 4 (2): 1-35.
    3. Malik S., Cusido RM., Mirjalili MH., Moyano E., Palazon J., Bonfill M, (2011), Production of the anticancer drug taxol in taxus baccata suspension cultures: A review, Process Biochemistry, 46(1) :23-34.
    4. Maniu D., Chis V., Toderas F., Astilean S., (2007), Density functional theory investigation of p-aminothiophenol molecules adsorbed on gold nanoparticles Journal of optoelectronics andadvanced materials, 9(3): 733-736.
    5. Marenich AV., Cramer CJ., Truhlar DG.,(2009), Universal solvation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and atomic surface tensions, The Journal of Physical Chemistry.B., 113(18) : 6378-6396.

    32.    Natarjan K., Senapati S., (2012), Understanding the basis of drug resistance of the mutants of αβ-Tubulin dimer via molecular dynamics simulations, Plos One, 7(8): e42351.

    1. Oostenbrink C., Soares TA., Van der vegt NF., van Gunsteren WF.,(2005), Validation of the 53A6 GROMOS force field, European Biophys J, 34(4) : 273-284.
    2. Rocchia W., Alexov E., Honig B.,(2001), Extending the applicability of the nonlinear poisson-boltzmann equation: Multiple dielectric constants and multivalent ions, The Journal of Physical Chemistry.B., 105(28): 6507-6514.
    3. Vanommeslaeghe K., Hatcher E., Archarya C., Kundu S., et al.,(2009), CHARMM General Force Field (CGenFF): A force field for drug-like molecules compatible with the CHARMM all-atom additive biological force fields J Comput Chem, 31(4) : 671-690.
    4. Wang J., Morin P., Wang W., Kollman PA.,(2001), Use of MM-PBSA in reproducing the binding free energies to HIV-1 RT of TIBO derivatives and predicting the binding mode to HIV-1 RT of Efavirenz by docking and MM-PBSA, J Am Chem Soc, 123(23):  5221-5230.
    5. Zhang Z., Mei L , Feng SS., (2013), Paclitaxel drug delivery systems, Expert Opin Drug deliv, 10(3) : 325-340.
دوره 34، شماره 3
مهر 1400
صفحه 364-379
  • تاریخ دریافت: 01 خرداد 1398
  • تاریخ پذیرش: 04 شهریور 1398
  • تاریخ اولین انتشار: 01 مهر 1400