Elucidation of the external electric field effect on the translocation of R-derivatives peptides across a symmetric lipid bilayer using the umbrella sampling method.

Abstract

The translocation of cargoes like nanoparticles (NP) and macromolecules like DNA and RNA across the model membrane through different cell-penetrating peptides (CPPs) has been the point of research for the last few years. Electroporation is a technique that helps in transferring foreign molecules like proteins, drugs, antibodies, and highly charged molecules such as DNA into the cell membrane. However, how the external electric field helps in increasing the membrane permeability has yet to be elucidated in detail. Therefore, in this MD study, the presence and the absence of a constant electric field effect were studied during the individual interaction of oligoarginine peptides (R4, R8) with the symmetric lipid bilayer having the following lipid composition: DOPC/DOPG (4:1). The umbrella sampling (US) technique was implemented to compute the free energy barriers. To generate initial basis values for umbrella bins, two steered molecular dynamics (SMD) approaches were used in this study: Colvars-SMD and Constraint- SMD. The results showed that no considerable difference in the potential of mean force (PMF) for both peptides (R4/R8) is present for the former method. However, initially, there was not a significant free energy barrier difference for tetra-arginine with and without an electric field for the later method, but at the end of the simulation, it started showing a noticeable difference with a higher PMF value without an electric field and lower PMF value for with electric field. Furthermore, the octa-arginine case also exhibited similar behavior to the R4 peptide; the free energy barrier was higher in the absence of an electric field and lower in the presence of an electric field. These outcomes are consistent with the already reported literature that the applied electric field lowers the free energy cost. It appears that the higher interaction energy between CPP-lipids may mainly account for the higher free energy barrier for the R8 peptide than the R4 peptide. This research provides an atomic-level insight into how the external electric field affects the translocation of R-derivative peptides through the symmetric membrane. Keywords: Electroporation, constant electric field, oligoarginine, umbrella sampling (US), steered molecular dynamics (SMD), Colvars-SMD, Constraint-SMD, potential of mean force (PMF), octa-arginine.|현재 연구의 주요 초점은 세포막을 통한 CPP의 전위 동안 외부 전위의 영향을 밝히는 것이었습니다. 따라서 외부 전위 효과를 연구하기 위해 구현하기 쉽고 전 세계적으로 허용되는 일정한 전기장 접근 방식이 채택되었습니다. 실제 세포의 일반적인 전위를 모방하기 위해 적용된 전위는 생리학적 범위(0.05V/nm)로 유지됩니다. 또한, 실제 세포 매개변수를 복제하기 위해 우리가 이미 알고 있는 것처럼 지질 혼합물(DOPC/DOPG: 4/1)이 사용되었습니다. 포유류 세포에는 두 가지 유형 이상의 지질이 존재합니다. 현재 시뮬레이션 결과는 적용된 전위가 펩타이드(CPP)가 세포막을 통과하는 데 도움이 된다는 이미 보고된 실험 및 시뮬레이션 결과와 일치합니다. 얻은 결과는 인가된 전기장이 양전하를 띤 CPP를 내부 전단지 쪽으로 밀어내고 결과적으로 기공이 생성되면 전위를 위한 자유 에너지 비용이 낮아진다는 원자 수준의 그림을 제공합니다. 기공이 없는 경우 자유 에너지 장벽에 대한 눈에 띄는 외부 전위 효과는 관찰되지 않았습니다. Colvars SMD 케이스를 볼 수 있습니다. 따라서 이러한 결과는 수공이 전기장 추진 효과를 관찰하는 데 매우 중요한 부분임을 전달합니다. 이 외에도 가능한 많은 요인 중에서 CPP-지질 사이의 정전기 에너지가 주로 R4 시스템보다 R8 시스템의 더 높은 자유 에너지 장벽을 담당할 수 있음을 관찰했습니다. 물론, 우리는 이 엔탈피 매개변수만으로는 힘 수단의 잠재력 차이를 단독으로 설명하기에 충분하지 않다는 사실을 인정합니다. 그러나 우리는 음전하 지질(DOPG)로 인해 CPP-지질 간의 상호 작용 에너지가 자유 에너지 차이를 비교하는 데 매우 중요한 요소라고 믿습니다. 전반적으로, 현재 연구는 세포막을 통한 펩타이드 전위 동안 외부 전기장이 어떻게 자유 에너지 비용을 낮추는지에 대한 나노 수준의 통찰력을 제공합니다. 우리는 이 연구가 생리학적 범위의 적용된 외부 잠재력이 어떻게 펩타이드 내재화를 돕는지에 대한 향후 연구에 대한 기본 아이디어를 제공할 것이라고 믿습니다. 우리는 여전히 많은 질문과 매개변수에 대해 답변하고 고려해야 한다는 점을 인정합니다. 예를 들어, 전하를 띤 측쇄를 고려하면 pH 효과는 어떻게 되는지, 적용된 전위를 높이거나 낮추면 PMF 값이 얼마나 변하는지, 현재 펩타이드의 임계 농도(4 또는 6)를 사용하면 어떤 일이 일어날지 등을 알 수 있습니다. 지질 이중층, 현재 시스템에 원통형 반응 좌표나 1차원 이상의 반응 좌표와 같은 다른 반응 좌표를 사용하면 어떤 영향이 발생합니까? 따라서 향후 프로젝트에는 다음 작업이 포함됩니다. 1) 다양한 외부 전위 값을 사용하여 현재 시뮬레이션 시스템에 미치는 영향을 비교합니다. 2) 펩타이드의 역치 농도를 이용하여 협력 효과를 연구합니다. 3) 원통형 RC와 같은 다양한 반응 좌표를 구현하여 자유 에너지 장벽에 미치는 영향을 연구합니다.