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.

Estudi realitzat a partir d’una estada al Computational Molecular Science of the Temple University, United States, entre 2010 i 2011. Els bacteris patogènics utilitzen sistemes de dos components (TCS) per tal de analitzar les condicions ambientals dins de l'hoste i activar mecanismes relacionats amb virulència i resistència antimicrobiana. PhoQ/PhoP, el major regulador de la virulència en Salmonella, n'és un exemple prototípic. Per aquesta raó, la proteina PhoQ resulta atractiva com a una diana terapèutica per dissenyar nous antibiòtics pel tractament de malalties gastrointestinals. Inhibint PhoQ s'atenua la virulència bacteriana sense afectar el creixement, i per tant es disminueix la pressió selectiva responsable de la generació de la resistència a antibiòtics. A més, PhoQ és una histidina quinasa (HK) i aquest tipus de quinases no es troben a animals. Malgrat això, encara no s'han pogut trobar inhibidors d'HK prou satisfactoris. Per tal de competir amb les concentracions intracel-lulars d'ATP, l'afinitat de l'inhibidor ha de ser de l'ordre micromolar-nanomolar, mentre que l'afinitat dels compostos actuals és mil-limolar. Un altre problema és que la selectivitat del fàrmac depèn de la conformació d'un bucle, conegut com a “ATP-lid”, que resulta difícil d'estudiar per cristal-lografia de rajos X degut a la seva flexibilitat. Durant el període de la beca Beatriu de Pinós, he investigat la unió de diferents inhibidors a PhoQ. En concret, s'han dut a terme simulacions atomístiques combinades amb tècniques d'acceleració d'esdeviments per tal de proporcionar informació estructural i dinàmica sobre la conformació de l'ATP-lid. A més, s'han identificat interaccions transitòries entre aquests fàrmacs i el bucle i s'ha estimat l'energia lliure dels diferents modes d'unió. Els resultats obtinguts indiquen que la flexibilitat de la proteïna i els efectes del solvent tenen un paper important en la unió HK-inhibidor i constitueixen el primer pas en el desenvolupament de fàrmacs més potents i selectius. Aquest treball no s'hauria pogut dur a terme sense els recursos computacionals de la institució d'acollida i l'experiència dels membres del grup hoste en modelat de unió de fàrmacs i mètodes d'energia lliure.