抗生素耐药性是一种日益严重的医学危机，因为引起疾病的细菌已经发展出能够逃避或克服许多可用药物的毒性作用的特性。更多的这些微生物对多种药物有抵抗力，限制了医生对抗患者感染的选择。结果，一系列疾病 - 包括肺炎，血流感染和淋病 - 变得更加危险，治疗费用更高，每年医疗费用增加高达200亿美元。

随着研究人员寻求新的抗生素，他们必须克服这些微生物进化生存的机制。今天的大多数药物对革兰氏阴性细菌效果不佳，革兰氏阴性细菌难以渗透，因为它们被两个膜包围，细胞壁夹在中间。(革兰氏阳性细菌缺乏外膜。)革兰氏阴性细菌也部署其他防御系统：它们将各种膜蛋白组装成精细的防御结构，称为外排泵，允许细胞在它们起作用之前排出杀菌剂。

乔治亚理工学院的物理学家James C. Gumbart说，敲除外排泵是一种很有前途的策略，无论是创造新药物还是让旧的抗生素恢复生机。但是为了瞄准并消除这些结构，研究人员首先必须准确理解它们的功能。

这就是模拟可以提供帮助的地方。从长远来看，Gumbart希望模拟分子动力学 - 外排泵中的分子如何相互作用 - 以使这些防御无害的目标。

作为该过程的一个步骤，Gumbart和他的同事们已经开始关注外排泵的关键组件：衔接蛋白AcrA，它将内膜上的外排泵组件与外膜上的外排泵组件连接起来。“我们从各种结构数据中了解到，AcrA是泵的关键组成部分，弥合了AcrB和TolC之间的差距，”另外两种重要的膜蛋白。“它是否具有超越结构性的任何作用，我们不确定，”Gumbart说。

为了更好地研究这种蛋白质，Gumbart和他的团队在Oak Ridge领导计算设施(能源部(DOE)用户设施)使用了Titan，Cray XK7超级计算机，以模拟AcrA与其他设备交互时的形状和相关稳定性。外排泵组件。美国能源部创新和新颖的理论与实验计算影响(INCITE)计划分配了3800万小时，支持他们的工作。该研究还依赖于NAMD，这是由伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的美国国立卫生研究院大分子模拟和生物信息学中心开发的分子动力学代码，用于在大量计算机处理器上并行模拟大型生物分子系统。核心。

为了构建他们的模拟，该团队利用了新开发的两种膜模型和革兰氏阴性细菌大肠杆菌细胞壁的原子细节。“为了理解组装过程，我们必须考虑它发生的环境，即周质，即膜之间的空间，”Gumbart说。“周质包括许多蛋白质以及细胞壁，细网状物可在各种环境中赋予细菌形状和稳定性。”研究人员将AcrA置于外排泵结构中，该结构包括来自内封套的伴侣蛋白AcrB和来自外封套的TolC。

这些千万亿次级模拟以每秒一千万亿次的数学计算运行，创建了这些细菌蛋白质和细胞膜的运动和能量的平行版本。个体模拟包括蛋白质，其构象 - 分子可以轻易扭曲和重塑自身的方式 - 巧妙地区别开来。为了优化他们的结果，研究人员偶尔可以在模拟之间交换能量有利的构象，这种技术称为副本交换。使用这种策略，科学家可以绘制系统的自由能量。

AcrA，AcrB和TolC的最低能量组合揭示了最有可能在细菌细胞内发生的情景和蛋白质排列。例如，目前尚不清楚AcrA在最初与AcrB交互之前或之后是否适应其形状，Gumbart说。“我们的自由能图将帮助我们区分这些可能性。”

该团队还在分析其数据，以寻找显示干扰泵装配的AcrA构象的能量图。“如果我们能够稳定这些构象，我们就可以有望抑制多药外排，”Gumbart说。该信息可以指导设计新的，精确靶向的候选药物，称为外排泵抑制剂(EPI)。“反过来，EPI将阻止泵组件或阻止其组装后的功能。”

此类模拟还可以测试Gumbart合作者已经设计的EPI的效果，提供有关哪些候选药物可能证明最有效并且应该进一步研究的有价值的信息。

Gumbart说，如果成功，这种策略可以恢复一些不再使用的抗生素，因为研究人员希望将它们与EPI结合可以恢复它们的效力。

Gumbart和他的团队在短短一年内收集了大量数据。“使用常见的超级计算资源需要至少四到五年的时间，”他说。团队成员包括橡树岭国家实验室的杰瑞公园;亨茨维尔阿拉巴马大学的杰罗姆·博德里;俄克拉荷马大学的Helen Zgurskaya;田纳西大学诺克斯维尔分校研究生亚当格林;和佐治亚理工学院的研究生Anthony Hazel。

更好地了解外排泵组件以及改变或阻断这些结构的策略也可用于治疗其他疾病。例如，一种不同类型的泵会导致癌细胞的耐药性，Gumbart说。“事实上，外排系统在生活的所有领域都有发现。”

自从今年春天完成模拟以来，Gumbart和他的同事一直在分析所得到的数据，以量化自由能量，找到有利于与不受欢迎的构象的模式，甚至确定为什么只有一些突变影响泵组装。需要更多的模拟来解决相关问题，但目前的数据仍然存在许多秘密。Gumbart和他的团队将继续挖掘。