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Lars Schäfer with the Golden Spike Award © RUB, Marquard

How biological nanotransporters extract drugs from cells

High-performance computers allow us to uncover details about the transport of molecules through cell membranes.

How molecules are transported into and out of cells can determine the effectiveness of drugs. Using computer simulations, Prof. Dr. Lars Schäfer's team has been able to gain detailed insights into the activities of so-called ABC transporters, biological nanomachines that are responsible for transporting a wide range of molecules through cell membranes. For his latest results on the subject, the head of the Molecular Simulation group at the Ruhr-University Bochum (RUB) received the Golden Spike 2020 Award of the High Performance Computing Center Stuttgart on October 20, 2020.

Resistance of tumor cells and bacteria

ABC transporters function by coupling the binding and chemical cleavage of ATP molecules, the chemical energy units of the cell, with the transport of molecules through biological membranes. A special feature of ABC exporters is that they transport many different molecules out of the cell: From lipids to peptides to chemotherapeutic agents. "Therefore, the ABC exporters play an important role in multi-drug resistance of cancer cells and antibiotic resistance of bacteria, among other things," explains Schäfer.

In the award-winning work, his team succeeded for the first time in observing and thus elucidating the transport of a substrate molecule - the chemotherapeutic agent daunorubicin - through an NBC exporter in atomic detail via molecular dynamics simulations.

additional information

Preess Release (German)

Original Awarded Publication: Hendrik Göddeke und Lars V. Schäfer: Capturing substrate translocation in an ABC exporter at the atomic level, in: Journal of the American Chemical Society, 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05502

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Wie biologische Nanotransporter Medikamente aus Zellen herausschleusen

Höchstleistungsrechner machen es möglich, Details über den Transport von Molekülen durch Zellmembranen herauszufinden.


Wie Moleküle in Zellen hinein- und herausbefördert werden, kann zum Beispiel über die Wirksamkeit von Medikamenten entscheiden. Durch Computersimulationen konnte das Team von Prof. Dr. Lars Schäfer detaillierte Einblicke in die Aktivitäten der sogenannten ABC-Transporter gewinnen: biologischen Nanomaschinen, die für den Transport einer breiten Palette von Molekülen durch Zellmembranen zuständig sind. Für die jüngsten Ergebnisse wurde der Leiter der Arbeitsgruppe Molekulare Simulation der RUB am 20. Oktober 2020 mit dem Golden Spike 2020 Award des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart ausgezeichnet.

Resistenzen von Tumorzellen und Bakterien

ABC-Transporter koppeln die Bindung und chemische Spaltung von ATP-Molekülen, der chemischen Energieeinheit der Zelle, mit dem Transport von Molekülen durch biologische Membranen. Eine Besonderheit der ABC-Exporter ist, dass sie viele verschiedene Moleküle aus der Zelle heraus transportieren: von Lipiden über Peptide bis zu chemotherapeutischen Wirkstoffen. „Daher spielen die ABC-Exporter eine wichtige Rolle unter anderem für Multi-Drug-Resistenzen von Krebszellen und Antibiotika-Resistenz von Bakterien“, erklärt Schäfer.

In der prämierten Arbeit ist es seinem Team gelungen, zum ersten Mal den Transport eines Substratmoleküls – des Chemotherapeutikums Daunorubicin – durch einen ABC-Exporter hindurch in atomarem Detail in Molekulardynamik-Simulationen zu beobachten und damit aufzuklären.


ZUSÄTZLICHE INFORMATIONEN

Ausführliche Presseinformation

Originalveröffentlichung: Hendrik Göddeke und Lars V. Schäfer: Capturing substrate translocation in an ABC exporter at the atomic level, in: Journal of the American Chemical Society, 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05502

Leading actor: the solvent

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