Biological activities of levan-based polymers: In silico approach

Abstract

Oligo ve polisakkaritler bağışıklık sistemi, dokuların yapışması ve hücresel sinyal iletimi gibi biyolojik mekanizmalarda önemli rol oynarlar. Bu sebeple oldukça önemli çalışmalar, yapı-fonksiyon analizleri ile bu polisakkaritlerin biyolojik aktivite mekanizmalarını aydınlatmaya yönelmiştir. Bu çalışmalarda değişik hücre içi ve hücre dışı biyoaktivite deneylerinin kullanımı, kimyasal yapı ile gözlemlenen biyolojik aktivitede konformasyonun ilişkilendirilmesini önlemektedir. Buna ek olarak, polisakkaritlerin konformasyonlarındaki çeşitlilik ve yapısal çokyapımlılık, polisakkaritleri deneysel ve teorik karakterizasyon çalışmaları için en ilgi duyulan biyopolimer tipi haline getirmiştir. Levan, fruktoz halkalarında β (2→6) bağları bulunan ve doğal ortamda oluşsan β-D-fructofuranoz tipi polimerdir. Gıdada, beslenmede, kozmetikte, ilaç ve kimya endüstrisinde fonksiyonel biyopolimer olarak kullanımı yüksek potansiyele sahip bir homosakkarittir. Polisakkaritlerin 3D yapısal analizindeki günümüz teknolojisinin sınırlı gelişmiş olması yapısal-fonksiyon çalışmalarında bilgisayar metotlarının kullanımını desteklemektedir. Bu çalışmanın amacı, levan bazlı polimerlerin moleküler dinamik simülasyonlarını kullanarak değişik ortamlarda, kondisyonlarda ve potansiyel ilaç taşınım sistemlerinde konformasyonlarını çalışmaktır. Levan zincirinin konformasyonları, dönme yarıçapı (RG) iki uç arasındaki uzaklık (R), bağ uzunluğu, bağ açısı, kiriş uzaklığı, torsiyon açısı, radyal dağılım fonksiyonu ve ortalama mesafe değeri hesaplanarak analiz edilmiştir. Biyopolimerlerin biyolojik aktivitesine etkisi olduğu düşünülerek tek levan zincirinin, çoklu levan zincirinin ve sulfatlanmış levan zincirinin değişik ortam ve sıcaklıklardaki konformasyonları elde edilmiştir.

Oligo- and polysaccharides play an important role in various biological mechanisms such as immune response, adhesion and signal transduction by covering the surface of most cells. Hence considerable research has been directed on elucidating the biological activity mechanism of these polysaccharides by structure-function analysis. Use of different in vivo and in vitro bioactivity assays in such studies prevents to make generalizations in relating the chemical structure and conformation to the observed biological activity. Moreover, diversity of their conformations and their structural heterogeneity make polysaccharides the most challenging type of biopolymer for experimental and theoretical characterization studies. Levan is a naturally occurring polymer which is composed of β-D-fructofuranose with β (2→6) linkages between fructose rings. It is a homopolysaccharide that has great potential to be used as a functional biopolymer in foods, feeds, cosmetics, and pharmaceutical and chemical industries. Limited success of current technologies in analyzing the 3D structure of polysaccharides promoted the use of computational methods in structure-function studies. The main objective of this work is to study the conformations of levan-based polymers in different media, conditions and potential drug delivery systems by using molecular dynamics (MD) simulations. The conformation of levan chains were analyzed in terms of radius of gyration (Rg), end-to-end distance (R), bond length, bond angle, chord length, torsion angle, radial distribution function and mean square displacement. The conformational difference was obtained between single levan chain, multiple levan chain and sulphated levan in different media and temperatures which may affect the biological activity of biopolymers.