通过分子对接、分子动力学模拟研究以及ADMET预测，在计算机上发现了GES-5抑制剂

《Computational Biology and Chemistry》：In Silico Discovery of GES-5 Inhibitors via Molecular Docking, Molecular Dynamics Simulation Studies, And ADMET Prediction.

本研究通过虚拟筛选和分子动力学模拟，发现Riccardin C、Daturametelin A和2-hydroxysenaganolide等天然化合物对GES-5酶具有潜在抑制作用，并评估了其药代动力学和毒性特性。

　　

马纳尔·加特塞（Manal Ghatesse）|希查姆·查鲁特（Hicham Charoute）|阿马尔·拉乌菲（Amal Raoufi）|亚斯敏·塔布克蒂尔特（Yasmine Tabouktirt）|伊曼·奈特·伊拉哈尔（Imane Nait Irahal）|富齐娅·赫米德（Fouzia Hmimid）|莫斯塔法·卡宾（Mostafa Kabine）|努尔丁·布尔希姆（Noureddine Bourhim）|亚辛·祖海尔（Yassine Zouheir）

摩洛哥卡萨布兰卡哈桑二世大学（Hassan II University）艾因肖克（Ain Chock）理学院健康、环境与生物技术实验室（Laboratory of Health, Environment and Biotechnology, Faculty of Sciences Ain Chock, Hassan II University, Casablanca, Morocco）

摘要

多重耐药性肠杆菌科（Multidrug-resistant Enterobacteriaceae）的出现对全球公共卫生构成了重大威胁。在主要的耐药机制中，产生能够水解β-内酰胺环的β-内酰胺酶在降低抗生素效力方面起着核心作用。针对这些酶，尤其是碳青霉烯酶（carbapenemases），仍然是开发新型抗菌剂的有希望的策略。

在这项研究中，我们专注于碳青霉烯酶GES-5，并对来自两个独立数据库的7,527种天然化合物（分别为1,012种和6,515种）进行了大规模虚拟筛选。使用AutoDock Vina进行了分子对接（molecular docking）以识别高亲和力的抑制剂。通过SwissADME和pkCSM对排名靠前的候选物的药代动力学（pharmacokinetic）和毒性（toxicity）特征进行了评估。为了进一步评估结合稳定性和动态行为，使用GROMACS进行了100纳秒（100 ns）的分子动力学模拟（molecular dynamics simulations）。

对接结果揭示了几种化合物对GES-5活性位点的结合亲和力较低（≤ ?10 kcal/mol）。其中，Riccardin C、Daturametelin A和2-羟基塞纳甘醇苷（2-hydroxysenaganolide）因其有利的相互作用模式而被认为是最有前景的候选物。ADMET分析表明，大多数选定的化合物具有可接受的药代动力学特性和较低的预测毒性。分子动力学模拟证实了蛋白质-配体复合物在100纳秒时间轨迹内的结构稳定性。

总体而言，这些发现识别出了有前景的GES-5天然抑制剂，并为进一步的实验验证和先导化合物优化提供了一个可靠的计算机模拟框架。

引言

青霉素的发现及其抗菌特性被广泛认为是20世纪最具变革性的事件之一（Hoffman, 2020; Gaynes, 2017; Fleming, 1929）。这一突破标志着医学新时代的开始，推动了众多高效抗生素的发展，显著改善了人类和动物的健康状况（Lima et al., 2020）。然而，在过去的七十年中，β-内酰胺类抗生素的广泛使用促进了耐药细菌菌株的出现，对公共卫生构成了日益严重的威胁（Church and McKillip, 2021, Frieri et al., 2017）。如今，抗生素耐药性已成为一个全球性的关键挑战。2019年抗微生物药物耐药性合作组织（Antimicrobial Resistance Collaborators）的报告（2022）估计，耐药细菌和真菌直接导致了全球超过127万人死亡，并导致了近500万例额外死亡。在这些病原体中，肠杆菌科（Enterobacteriaceae）尤其令人担忧，因为它们在医疗相关感染中高度流行，并被世界卫生组织（WHO, 2023）列为关键优先病原体。

肠杆菌科对β-内酰胺类抗生素的耐药性可以通过多种机制产生，包括主动外排泵（active efflux pumps）、膜通透性降低以及靶点修饰（target modification）。然而，产生广谱β-内酰胺酶（Extended-Spectrum Beta-Lactamases，ESBLs）仍然是最普遍且临床上最重要的耐药机制（Angelis et al., 2020; Lepe & Martínez, 2022）。根据Ambler分类系统，β-内酰胺酶被分为四个结构类别（A、B、C和D）（Ambler, 1980, Kaderabkova et al., 2022）。其中，属于圭亚那广谱（GES）家族的A类β-内酰胺酶引起了特别关注。这些酶在肠杆菌科中广泛分布，并且经常通过质粒介导传播，从而在细菌物种内部和之间传播耐药性，使它们对多种β-内酰胺类抗生素产生耐药性（Bush, 2018, Bonomo, 2017）。

GES酶最早于1998年在法国的一种肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）分离株中被发现（Poirel et al., 2000），现在在包括铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）、大肠杆菌（Escherichia coli）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）在内的多种临床重要病原体中也有报道（Poirel et al., 2000, Codjoe and Donkor, 2017, Zarabadi-Pour et al., 2021, Hammoudi Halat and Ayoub Moubareck, 2022）。GES家族具有高度多样性，包含27种变体，这些变体在 satu 到 three 个氨基酸位置上存在差异（Barlow & Tenover, 2024）。虽然这些酶主要使细菌对青霉素和广谱头孢菌素产生耐药性，但在Gly170位点发生Ser或Asn突变后，某些变体能够水解最后的碳青霉烯类抗生素。这一突变显著增强了亚胺培南（imipenem）的水解能力，突显了GES型酶的严重临床威胁（Poirel et al., 2001, Kotsakis et al., 2010）。

在GES变体中，GES-5尤其令人担忧，因为它经常与医院内感染相关，并且具有很强的耐药性（Mendes et al., 2023, Literacka et al., 2020）。鉴于目前可用于对抗GES-5介导的耐药性的治疗选择有限（Linciano et al., 2019），迫切需要识别能够有效靶向这种酶的新抑制剂。

在这种情况下，计算机辅助药物设计（Computer-Aided Drug Design，CADD）已成为现代药物发现的重要工具（Sliwoski et al., 2014）。通过将计算方法与结构和分子信息相结合，CADD帮助研究人员比传统的实验筛选更快更高效地识别和优化潜在的药物候选物。CADD中广泛使用的一种方法是基于结构的药物设计（Structure-Based Drug Design，SBDD），该方法利用了来自X射线晶体学、核磁共振光谱和冷冻电子显微镜等技术的高分辨率结构数据（Lionta et al., 2014）。这些结构信息使得能够详细模拟配体-蛋白质相互作用，并通过分子对接和分子动力学模拟合理选择有前景的抑制剂（Pinzi & Rastelli, 2019）。CADD和SBDD共同为药物发现提供了实用的框架，在实验验证之前对化合物进行优先排序。

鉴于此，本研究采用了一种全面的计算机模拟方法来寻找新的GES-5 β-内酰胺酶抑制剂。具体来说，我们通过虚拟筛选识别有前景的候选分子；使用分子动力学模拟评估它们的稳定性，并通过ADMET预测评估它们的药代动力学和安全性特征。我们的工作通过结合这些计算技术，为识别新的GES-5抑制剂提供了一个系统化的框架，这可能有助于对抗抗生素耐药性并指导进一步的实验验证。

部分摘要

蛋白质制备

我们从结构生物信息学研究合作组织（Research Collaboratory for Structural Bioinformatics，RCSB）蛋白质数据库（https://www.rcsb.org）中获取了GES-5的晶体结构（分辨率：1.09 ?；PDB ID：4GNU），作为虚拟筛选的目标。制备过程包括使用UCSF Chimera软件去除B链、共结晶的配体和水分子（Pettersen et al., 2004）。随后，我们使用AutoDock Tools为目标结构添加了氢原子和Kollman电荷。

配体库的制备

在寻找...

分子对接

作为基于结构的方法，分子对接在药物设计中变得至关重要，因为它能够预测配体-靶点的结合亲和力并表征抑制过程中涉及的关键分子相互作用（Agu et al., 2023; Pinzi et al., 2019）。在本研究中，我们使用分子对接方法从ANPDB和SANCDB天然化合物数据库中筛选了6,000多种配体与GES-5的相互作用（Mohanty & Mohanty, 2023）。对于每个数据库，选择了三种与GES-5结合亲和力最低的配体...

结论

通过虚拟筛选两个植物化学数据库，我们利用计算机辅助药物设计（Computer-Aided Drug Design）发现了新的碳青霉烯酶GES-5天然抑制剂。选定的候选化合物Riccardin C、Daturametelin A和2-羟基塞纳甘醇苷在GES-5催化口袋中具有最佳定位，并与参与酶活性的关键残基形成了强相互作用网络，这使它们与其他筛选出的植物化学物质区分开来。此外，这些化合物表现出...

未引用的参考文献

(Coutsias and Wester, 2019, Hevener et al., 2020, Hubbard and Kamran Haider, 2010, Lepe and Martínez-Martínez, 2022, Moroy et al., 2012, Ntie-Kang et al., 2017 Jul, S. and Lee, 2009, Sliwoski et al., 2013, Trott and Olson, 2010, World Health Organization, 2023)

资助

作者未从任何组织获得与本研究相关的财务支持或资金。

伦理声明

本文不涉及涉及人类参与者、动物或基因修饰生物的研究。所有使用的数据均来自公开可用的来源。

CRediT作者贡献声明

希查姆·查鲁特（Hicham Charoute）：撰写——审稿与编辑、方法学、数据管理、概念化。马纳尔·加特塞（Manal Ghatesse）：撰写——初稿、数据管理、概念化。阿马尔·拉乌菲（Amal Raoufi）：撰写——初稿、概念化。亚辛·祖海尔（Yassine Zouheir）：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、研究、概念化。努尔丁·布尔希姆（Noureddine Bourhim）：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、概念化。伊曼·奈特·伊拉哈尔（Imane Nait Irahal）：撰写——审稿与编辑、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家科学技术研究中心（Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique，CNRST）在“博士-副学士奖学金计划（PhD-Associate Scholarship – PASS）”框架下对本研究提供的支持。

利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性财务或非财务利益可能影响本文所述的工作。