DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-98927-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40269071
تاريخ النشر: 2025-04-23
المؤلف: Lubna Atta وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبيولوجيا الفموية وبحوث التهاب اللثة
نظرة عامة
تركز هذه الفقرة من البحث على دور *Streptococcus mutans* وناقلات الجلوكوز (GTFs) في تطور تسوس الأسنان، وهو مرض مزمن شائع. تؤكد الدراسة على إمكانية استهداف GTFs لمنع تشكيل الأغشية الحيوية، وهو أمر حاسم لمرضية هذه البكتيريا. باستخدام طرق حسابية مثل نظرية الكثافة الوظيفية، والربط الجزيئي، ومحاكاة الديناميات الجزيئية، قام المؤلفون بالتحقيق في تفاعلات الربط لمثبطات GTF المختارة. أظهرت النتائج أن جميع المركبات المختبرة أظهرت خصائص ربط متفوقة مقارنة بالليغاند المرجعي، أكاربوز، حيث أظهر المركب V أقوى ألفة، مما يعكس طاقة ربط حرة قدرها -24.20 كيلو كالوري/مول وانحرافات هيكلية طفيفة.
تؤكد النتائج على استقرار وفعالية المثبطات المحددة، وخاصة المركبات III و V، التي أظهرت استقرارًا هيكليًا كبيرًا وكثافة. كشفت تحليل المكونات الرئيسية للدراسة أن هذه المركبات اقتربت من الحد الأدنى للطاقة العالمية، مما يشير إلى تفاعلات ربط فعالة. يدعو المؤلفون إلى التحقق التجريبي من هذه المثبطات من خلال اختبارات في المختبر وفي الكائنات الحية لتأكيد فعاليتها ضد أغشية *S. mutans* الحيوية. علاوة على ذلك، يقترحون مجالات بحث مستقبلية، بما في ذلك التعديلات الهيكلية لتعزيز ألفة الربط وتطبيق التعلم الآلي لتصميم مثبطات تنبؤية، لتطوير استراتيجيات علاجية لمنع تسوس الأسنان.
طرق
تحدد فقرة “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. توضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد تصف الفقرة الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. من خلال تقديم نظرة شاملة على الطرق، تؤسس هذه الفقرة الإطار للنتائج المقدمة لاحقًا في الورقة، مما يسمح بالتقييم النقدي والتكرار من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الفقرة، يناقش البحث التحليل الحسابي لستة مركبات (I-VI) كمثبطات محتملة لناقلات الجلوكوز (GTF) في *Streptococcus mutans*، باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، والربط الجزيئي، ومحاكاة الديناميات الجزيئية (MD). أظهرت حسابات DFT، التي أجريت على مستوى B3LYP/6-31G(d,p)، أن المركب III أظهر أعلى استقرار مع طاقة تقليل قدرها -1307334.77 كيلو كالوري/مول. أشار تحليل المدار الجزيئي الحدودي إلى أن المركبين I و IV كان لهما أكبر قيم للنعومة وأصغر قيم للصلابة، مما يشير إلى تفاعليتهما العالية وإمكانية كونهما مثبطات قوية. أظهرت نتائج الربط الجزيئي ألفة ربط تتراوح من -7.27 إلى -6.33 كيلو كالوري/مول، مع إظهار جميع المركبات تثبيطًا كبيرًا للأغشية الحيوية، وخاصة المركب I، الذي عرض قيمة MIC قدرها 15.62 ميكروغرام/مل.
قدمت محاكاة الديناميات الجزيئية رؤى حول استقرار وديناميات مجمعات البروتين-الليغاند، مع قيم انحراف الجذر التربيعي المتوسط (RMSD) تشير إلى أن المركب VI كان مستقرًا بشكل ملحوظ، حيث يشبه الهيكل المرتبط بالأكاربوز. اقترح تحليل نصف قطر الدوران أن جميع المركبات ساهمت في صلابة الهيكل في البروتين، بينما أبرز تحليل تقلب الجذر التربيعي المتوسط (RMSF) تقلبات مخفضة في الموقع النشط، مما يشير إلى الاستقرار. حددت حسابات الطاقة الحرة للربط باستخدام نهج MM/PBSA المركب V كأعلى ألفة ربط (-24.20 كيلو كالوري/مول)، مع مساهمات كبيرة من تفاعلات فان دير فالس والتفاعلات الكهروستاتيكية. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانية هذه المركبات كعوامل فعالة ضد الأغشية الحيوية لـ *S. mutans*، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في آليات عملها وتطبيقاتها العلاجية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-98927-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40269071
Publication Date: 2025-04-23
Author(s): Lubna Atta et al.
Primary Topic: Oral microbiology and periodontitis research
Overview
This research paper section focuses on the role of *Streptococcus mutans* and its glucosyltransferases (GTFs) in the development of dental caries, a prevalent chronic disease. The study emphasizes the potential of targeting GTFs to inhibit biofilm formation, which is critical for the pathogenicity of this bacterium. Utilizing computational methods such as density functional theory, molecular docking, and molecular dynamics simulations, the authors investigated the binding interactions of selected GTF inhibitors. The results indicated that all tested compounds exhibited superior binding characteristics compared to the reference ligand, acarbose, with Compound V demonstrating the strongest affinity, reflected by a binding free energy of -24.20 kcal/mol and minimal structural deviations.
The findings underscore the stability and efficacy of the identified inhibitors, particularly Complexes III and V, which showed significant structural stability and compactness. The study’s principal component analysis revealed that these complexes approached a global energy minimum, suggesting effective binding interactions. The authors advocate for experimental validation of these inhibitors through in vitro and in vivo assays to confirm their effectiveness against *S. mutans* biofilms. Furthermore, they propose future research avenues, including structural modifications to enhance binding affinity and the application of machine learning for predictive inhibitor design, to advance therapeutic strategies for dental caries prevention.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. By providing a comprehensive overview of the methods, this section establishes the framework for the results presented later in the paper, allowing for critical evaluation and replication by other researchers in the field.
Discussion
In this section, the research discusses the computational analysis of six compounds (I-VI) as potential inhibitors of glucosyltransferase (GTF) in *Streptococcus mutans*, utilizing density functional theory (DFT), molecular docking, and molecular dynamics (MD) simulations. The DFT calculations, performed at the B3LYP/6-31G(d,p) level, revealed that Compound III exhibited the highest stability with a minimization energy of -1307334.77 kcal/mol. Frontier molecular orbital analysis indicated that Compounds I and IV had the largest softness and smallest hardness values, suggesting their high reactivity and potential as strong inhibitors. Molecular docking results showed binding affinities ranging from -7.27 to -6.33 kcal/mol, with all compounds demonstrating significant biofilm inhibition, particularly Compound I, which displayed a MIC value of 15.62 µg/mL.
The MD simulations provided insights into the stability and dynamics of the protein-ligand complexes, with root mean square deviation (RMSD) values indicating that Compound VI was notably stable, closely resembling the acarbose-bound structure. The radius of gyration analysis suggested that all compounds contributed to structural rigidity in the protein, while root mean square fluctuation (RMSF) analysis highlighted reduced fluctuations in the active site, indicating stabilization. Binding free energy calculations using the MM/PBSA approach identified Compound V as having the highest binding affinity (-24.20 kcal/mol), with significant contributions from van der Waals and electrostatic interactions. Overall, these findings underscore the potential of these compounds as effective antibiofilm agents against *S. mutans*, warranting further investigation into their mechanisms of action and therapeutic applications.