Computational studies of AcrB, a Multidrug Efflux Pump

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Zusammenfassung

AcrA-AcrB-TolC plays a major role in drug resistance in Escherichia coli by extruding bile salts, detergents, organic solvents and many antibiotics that are not structurally related. AcrB, the core of this machinery, has been shown to be functional as an asymmetrical trimer, each protomer of which adopts a conformational state designated as loose (L), tight (T) and open (O) in the cycle of drug transport. Proton translocation has been shown to happen in the transmembrane domain where there are the three titratable amino acids D407, D408 and K940. Mutagenesis studies have shown that these three amino acids serve as the transient station for protons. In the present thesis we used molecular simulations to study the proton translocation across the transmembrane domain. At first, the pKa values of D407, D408 and K940 were predicted using Poisson-Boltzmann calculations and alchemical free energy perturbation simulations. The results show how many protons there are in the transmembrane domain of each state. From the conventional Molecular Dynamics simulations, different water wires were found in the transmembrane domains of the L, T and O state. These water wires revealed the possible path for proton across the transmembrane domains of AcrB. In the analyses of crystal structures, unique structural elements were identified both in the periplasmic and transmembrane domain. By calculating the clashes between protomers in several hypothetical trimers, a scheme of possible state transition pathways is proposed for AcrB working under different drug concentrations. Combining with the former structural studies, computational studies and crystal structure analyses in the current thesis, a global working hypothesis of substrate/proton transport is proposed for AcrB.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Der AcrA-AcrB-TolC Komplex spielt eine zentrale Rolle in der Resistenz von Escherichia coli gegen Antibiotika und andere Chemikalien. Dieser Proteinkomplex exportiert Gallensalze, Detergenzien, organische Lösungsmittel und einige Antibiotika. Diese Chemikalien zeigen keine strukturelle Ähnlichkeit. AcrB ist dabei der Kern dieser Maschinerie. Es wurde gezeigt, dass AcrB ein asymetrisches Trimer ist und jedes Protomer während des Transportprozesses zyklisch eine von drei Konformationen einnimmt: offen (open, O), locker (loose, L) und eng (tight, T). In der Transmembranregion konnte ein Protonenfluss nachgewiesen werden. Mittels Titrationexperimenten wurden die Aminosäuren D407, D408 und K940 als mögliche Protonen-Akzeptoren bestimmt, was durch Mutationsstudien nachgewiesen werden konnte. In der vorliegenden Arbeit verwenden wir Molekulardynamische simulationen um diesen Protonenfluss näher zu untersuchen. Mit Hilfe von Poisson-Blotzmann-Berechnungen und “free-energy pertubation“, einer speziellen Simulationsmethode, haben wir zunächst den theoretischen pKa dieser Aminosäuren bestimmt. Die Resultate zeigen wie viele Protonen sich in der Transmembranregion aufhalten. Die konventionelle olekulardynamische simulation zeigte ausserdem unterschiedliche Wasserwege durch die verschiedenen Protomere. Diese Wasserwege zeigen mögliche Pfade für Protonenbewegungen durch das Protein auf. Die Analyse bekannter Kristall-Strukturen ergab einzigartige strukturelle Elemente sowohl in der periplasmatischen als auch in der ransmembrandomäne. Durch Berechnung der strukturellen Konflikte in mehreren hypothetischen Trimeren schlagen wir mögliche Zustandsübergangspfade unter unterschiedlichen Wirkstoffkonzentrationen vor. Durch Kombination mit früheren strukturellen und Computerstudien und den Kristallstrukturanalysen wird in der vorliegenden Arbeit eine globale Arbeitshypothese für den Substrate/Protonen-Transport durch AcrB aufgestellt.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
AcrB, Multidrug Efflux Pump, Molecular Dynamics, Poisson-Boltzmann Calculation, pKa prediction
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690ZHOU, Wenchang, 2012. Computational studies of AcrB, a Multidrug Efflux Pump [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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