Tetramerik hexcoil-ala demetinin moleküler dinamik simülasyon yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Proteinler hücre ve canlı organizmalarda kararlılık, hareketlilik, kataliz, tanıma, patojentemizleme, sinyal verme, sıralama ve şekil verme gibi birçok biyolojik olaylardan sorumlumakromoleküllerdir. Proteinlerin bu çok farklı biyolojik fonksiyonları, onların konformasyonelyapılarına ve katlanma mekanizmalarına oldukça bağlıdır. Doğada var olmayan yeni biyolojikfonksiyonları elde etmek amacıyla yapılan protein tasarımı çalışmalarına son zamanlarda büyükilgi duyulmaktadır. Bu noktada, Grigoryan ve arkadaşları tarafından de novo peptid olaraktasarlanan HexCoil-Ala zinciri, hücre zarında ilaç tasarımı, ilaç taşınması, biouyumluluk,hedefleme, doğum ve adsorpsiyon tedavileri gibi alanlarda yüksek kullanım potansiyeline sahipolduğundan, büyük bir ilgi görmektedir. Bunun yanında HexCoil-Ala, tasarım mühendisliğiüzerinde önemli bir etkiye sahiptir ve yüksek derecede organize edilmiş makromoleküleriüretmek ve geliştirmek için de kullanılmaktadır.Proteinlerin konformasyonel yapılarının çeşitli deneysel tekniklerle ortaya konulabilmesinekarşın, bazı yapıların çeşitli nedenlerle deneysel olarak çözülememesi veya bazı çok özeletkileşimlerin deneylerle izlenememesi sebebiyle, moleküler modelleme yöntemleri bu yapılarıveya etkileşimleri ortaya çıkarmak için kullanılabilir. Bu bağlamda moleküler dinamik (MD)simülasyonu protein konformasyonu ve kararlılığının ayrıntılarını anlamak için en çok tercihedilen simülasyon tekniklerinden biridir.Bu tez çalışmasında, kapalı çözücü içerisinde bulunan HexCoil-Ala zincirlerinin tetramerik birformunun konformasyonel karalılığına, hidrofobikliğine ve kendiliğinden toplanmaözelliklerine sıcaklığın etkisi, MD simülasyon tekniği ile sistematik olarak incelenmiştir. Eldeedilen MD verilerinin analizleri sonucunda, her bir zincirdeki merkezi aminoasitlerin terminalbölgelerindeki aminoasitlere kıyasla yüksek oranda heliks ikincil yapılarına sahip olduklarıgözlenmiştir. Bu durumun, terminal bölgelerindeki aminoasitlerin iç bölgelerdekine göre dahafazla suya maruz kalmasıyla ortaya çıktığı düşünülmüştür. Anti-paralel olarak yerleştirilmiştetramerik HexCoil-Ala zincirleri arasında oluşan Leu-Zipper ve Ala-Coil ara yüzey mesafelerikullanarak hesaplanan serbest enerji yüzeylerine bakıldığında, monomerlerin kendiliğinden biraraya gelerek oluşturdukları dörtlü demet şeklindeki toplanmaların oldukça kararlı olduğugörülmüştür. Bunun yanında çözelti ortamında tetramerik HexCoil-Ala demeti için MDyöntemiyle elde edilmiş bu ortalama ara yüzey mesafe değerlerinin, 350 K sıcaklığa kadar,deneysel kristal yapı için elde edilmiş değerlere çok yakın olduğu da ortaya konmuştur. Ayrıcaelde ettiğimiz sonuçlar ışığında, sistemimizin tetramerik demet formunun korunmasında, Leu-Zipper ara yüzeylerindeki E8-R25 aminoasitleri arasında oluşan zincirler-arası `doğrudan tuzköprüsü` nün önemli bir rol oynadığı da açıktır. Sonuç olarak simülasyon sonuçlarımız,tetramerik HexCoil-Ala demeti şeklindeki sistemimizin yüksek termal dayanıklılığa sahipolduğunu ve 400 K sıcaklığa kadar bu tetramerik demet bütünlüğünü ve zincirlerin sahip olduğuikincil yapı özelliklerini genelde koruduğunu göstermiştir. Deneysel gözlemlerle iyi uyumsergileyen sonuçlarımız, bu tip yapıların araştırılmasında MD simülasyon tekniğinin başarılı vekullanışlı bir teknik olduğunu teyit etmiştir.

In cells and living organisms, proteins are responsible for stability, mobility, catalysis,recognition, pathogen clearing, signalling, ordering and shaping. These biological functions ofproteins depend on their conformational shapes and folding mechanisms. Recently, there is agrowing interest in the design of protein to find out novel functionalities unavailable in nature.Grigoryan et al. designed a de novo peptide, known as HexCoil-Ala. Owing to potentialcapacity of HexCoil-Ala for drug design, transporting, biocompatibility, targeting, delivery andadsorption treatments in membrane, there has been an increasing interest recently. Further,HexCoil-Ala has a significant influence on design engineering and can also be used fordeveloping highly ordered macromolecular assemblies.Although conformational structures of proteins can be demonstrated by various experimentaltechniques, molecular modelling and simulations can be used to reveal these structures orinteractions, since some structures cannot be experimentally solved for a variety of reasons, orsome very specific interactions cannot be observed with experiments. In this context, molecular dynamics (MD) simulation is one of the most preferred simulation techniques to understand thedetails of protein conformation and stability.In this thesis study, the effect of temperature on conformational stability, hydrophobicity andself-assembly properties of tetrameric HexCoil-Ala in explicit solvent was systematicallyexamined through MD simulations. As a result of these analyses, it was observed that centralresidues of each monomer have highly helical percentages in comparison with the terminiresidues. Because, the interaction between termini residues and water molecules has an effecton stability in terminal region of monomers. When free energy landscapes of tetramericHexCoil-Ala bundle were calculated by using the distance between Leu-Zipper and Ala-Coilinterface, it was seen that the self-assembly of monomers were very strong. What's more, theaverage values obtained from them were very close to the native case up to 350 K. In addition,the inter-chain `direct salt bridge` forming between the residues E8-R25 in Leu-Zipperinterfaces of our system plays a significant role for keeping tetramer structure. Finally, oursimulation results show that our tetrameric HexCoil-Ala bundle has high thermal robustnessand mostly keeps its integrity and secondary structures propensities up to 400 K. Our resultsare mostly in good agreement with the results of experimental observations, confirm that MDsimulation technique is a successful and useful technique in the investigation of such structures.