Molecular dynamics of bacillus thuringiensis Cry4Ba toxin

Abstract

The structural dynamic of the Cry4Ba toxin in aqueous solution was investigated using the molecular dynamics simulation method (MD). The system consists of 595 amino acids of the 65-kDa activated Cry4Ba protein located at the center of the cube and surrounded by 21,065 water molecules. Energy minimization of the system was performed prior to the simulations. The system was then subjected to 200 ps of positional restrained MD simulations and was carried out for 4 ns with unrestrained MD simulations. The properties of hydration water around Cry4Ba and trend of Cry4Ba elasticity was studied. The solvent accessible surface area (SASA), the root mean square (RMS) of position displacement, total energy and H-bond number were analyzed. The influence of water molecules on Cry4Ba structure has been examined using several structural functions. It was found that relative SASA of the hydrophobic part has a tendency to increase and the number of hydrogen bonds between water molecules has a tendency to increase as well. The values of the RMSD at each domain were increasing throughout the simulations, indicating that the structure of proteins has a tendency to change. All of the results clearly demonstrate that water may assist in the preliminary process of membrane insertion and pore formation in mosquito-larval gut cell membrane by the Cry4Ba toxin.

ในการวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาพลวัตของโครงสร้างของโปรตีนสารพิษ Cry4Ba ในน้ำโดยใช้วิธีการจำลองเชิงโมเลกุล ระบบบรรจุด้วยกรดอะมิโนจำนวน 595 ตัว ซึ่งถูกวางไว้ตรงกลางของกล่องลูกบาศก์ของน้ำ โดยมีน้ำจำนวนทั้งสิ้น 21,065 โมเลกุล ในการทำการจำลองระบบจะถูกทำการลดค่าพลังงานก่อนแล้วทำการจำกัดตำแหน่งของระบบเป็นเวลา 200 พิโควินาที หลังจากนั้นจึงทำการปล่อยระบบให้เคลื่อนที่อย่างอิสระอีก 4 นาโนวินาที ในการทดลองนี้ได้ทำการศึกษาคุณสมบัติบริเวณพื้นผิวของโมเลกุลโปรตีนสารพิษที่สัมผัสกับน้ำ และแนวทางความยืดหยุ่นของโมเลกุลของโปรตีนสารพิษ ซึ่งสามารถวิเคราะห์ได้จากปริมาตรพื้นผิวของตัวทำละลาย ค่าเฉลี่ย RMS ของทั้งตำแหน่งของทั้งระบบ การกระเพื่อมของพลังงานรวมของทั้งระบบ และจำนวนของโครงข่ายพันธะไฮโดรเจน อิทธิพลของน้ำต่อโปรตีนสารพิษได้ถูกตรวจสอบ ซึ่งพบว่าปริมาตร พื้นผิวของตัวทำละลายในส่วนที่ไม่ชอบน้ำมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น ในขณะที่จำนวนโครงข่ายพันธะไฮโดรเจนของน้ำลดลง ค่าเฉลี่ยRMSของทั้งตำแหน่งในแต่ละส่วนของโปรตีนสารพิษมีค่าเพิ่มขึ้น ตลอดการทำการจำลองระบบ ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างของโปรตีนสารพิษมีการเปลี่ยนแปลง ผลการทดลองทั้งหมดชี้ให้เห็นว่าน้ำเป็นตัวช่วยขั้นเบื้องต้นในการทำให้โปรตีนสารพิษ Cry4Ba สามารถเจาะเข้าไปในชั้นไขมันก่อให้เกิดรูรั่วในผนังเยื่อหุ้มเซลล์กระเพาะลูกน้ำยุง