Modeling conformational preferences of short polypeptide chains and their interactions with metal oxide surfaces

Abstract

KISA POLİPEPTtD ZİNCİRLERİNİN KONFORMASYONEL TERCİHLERİNİN VE METALOKSİT YÜZEYLERLE OLAN ETKİLEŞİMLERİNİN MODELLENMESİ ÖZET Anorganik yüzeylere spesifik bağlanan peptidler, malzemelerin sentezinde ve kendiliğinden oluşumunda gerekli bağlayıcı ajan olarak kullanılabilme potansiyelleriyle nanobiyoteknoloji için önemli araçlardır. Peptid kütüphaneleri kullanılarak, teknolojik olarak önemli malzemelere spesifik olarak güçlü bağlanan peptidler belirlenebilmektedir. Faj ve hücre yüzey gösterim teknikleriyle taranarak kütüphanedeki peptidlerin bağlanma aktiviteleri tespit edilir. Her iki yöntem de metal, metal oksitler ve yan iletkenlere bağlanan peptidler için kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, bu peptidler anorganikler için genetik mühendisliği uygulanmış polipeptidler (GEPI) olarak adlandırılmışlardır. Bu isim, spesifik ve seçici olarak bir anorganik yüzeye bağlanan amino asit dizisinin, bağlanma özelliğinin genetik mühendisliği yoluyla ortaya çıkarıldığını tanımlamaktadır. GEPI'lerin spesifiklikleri, moleküler yapılarına bağlı olan tanıma özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Molekülün üç boyutlu yapışma ait veriler, sadece molekülün tanıma mekanizmasının aydınlatılmasında değil aynı zamanda bu peptidlerin kullanımı için de büyük önem taşımaktadır. Yüzey gösterim teknikleriyle seçilmiş olan GEPFlerin kullanılabilmesi, peptidlerin yüzey üzerindeki üç boyutlu yapısının ve peptidle yüzey arasındaki bağlanma mekanizmasının açıklanmasına bağlıdır. Doğada var olan ya da yapay olarak oluşturulmuş anorganik-peptid sistemlerindeki ilişki, deneysel ya da hesapsal olarak tam anlamıyla açıklanabilmiş değildir. Bu çalışmada, alüminyum oksit yüzeylerine güçlü ve zayıf bağlandığı yüzey gösterim metodlanyla tespit edilmiş olan peptidlerin, moleküler modelleme (moleküler mekanik) yoluyla bu yüzeylere bağlandıkları andaki üç boyutlu yapılan oluşturulmuştur. Bunun için öncelikle CHARMM 22 force field'ı kullanılarak peptidlerin konformasyonel analizleri yapılmış ve elde edilen en kararlı üç konformer, istenilen yüzeyler üzerinde optimize edilmiştir. Bunun sonucunda da peptidlerin yüzeye bağlanma yapılan ve bağlanma enerijileri elde edilmiştir. Seçilen bütün peptidler yüzeye polipod yapı demlen çok kollu bir yapıyla bağlanmışta-. Güçlü bağlanan dizilerde pod sayısının daha fazla olduğu ve yine bu dizilerde podların yüzey üzerine tamamen yayılarak çok daha fazla sayıda atomla yüzeye bağlandığı görülmüştür. Peptidin yüzeye güçlü bağlanmasında polar ve yüklü aminoasitlerin önemli olabileceği düşünülmekle birlikte sadece bu grupların olmasının yeterli olmayabileceği saptanmıştır. Bu hesapsal çalışma polar ve yüklü aminoasitlere sahip peptidlerin her zaman güçlü bağlanamayabileceği sonucunu ortaya çıkarmıştır. Yüzey ve peptid arasındaki birbirini tamamlayıcı üç boyutlu yapıyı oluşturmak için boyut ve esneklik olarak da uygun olan polar-olmayan amino asitlerin de peptid yapısı içinde uygun pozisyonda bulunmaları gerektiği gözlemlenmiştir. vıu

MODELING CONFORMATIONAL PREFERENCES OF SHORT POLYPEPTIDE CHAINS AND THEIR INTERACTIONS WITH METAL OXIDE SURFACES SUMMARY Inorganic surface-specific polypeptides could be an essential tool for biotechnology as binding agents, or molecular erectors sets, for synthesis and self-assembly of materials. Random peptide libraries are used to find specific sequences that strongly bind to an inorganic material of technological interest. Using phage and cell surface display techniques, these randomly generated peptide libraries are screened for binding activity to inorganic surfaces rapidly and practically. Both of the techniques have been used to identify peptides recognizing oxide semiconductors, insulators, and noble metals. In our studies, we use a generic term Genetically Engineered Polypeptide for Inorganics (GEPI). Therefore, GEPI defines either the native sequence of amino acids that specifically and selectively binds to an inorganic surface which is then genetically engineered to tailor its binding properties. Specificity of GEPI is most likely to originate from its recognition of the inorganic surface based on its own molecular structure. The knowledge of molecular architecture, therefore, is essential not only for fundamental understanding molecular recognition process but also for its practical utility. A GEPI selected via display technologies could only be useful if its binding and conformational characteristics are known. In this study, we tried to observe the binding characteristic of septapeptides to the alumina surfaces using the molecular mechanics as a preliminary computational approach. Therefore, conformational analysis of septapeptides was performed and then three of the most stable conformers geometrically optimized on particular alumina surface using the CHARMM 22 molecular mechanics force field. Finally, binding structures of peptides on the surface were obtained and binding energies were calculated. Binding structures of peptides on alumina were observed as polypod structures. Some of the amino acids were responsible of binding as a pod. Pods number was higher in strong binding peptides; also their pods completely lied down on surface and interacted with surface with more atoms. Although the polar and charged groups were assumed to be responsible for surface binding, we observed that even if the peptide has potentially binding amino acids (charged and polar), they can not be efficient enough to bind peptide to the surface in whole structure of the peptide. The overall binding not only depends on the presence of these groups but also structural complementarities among all amino acids and inorganic surface topology, so the size and the shape of the non-polar amino acids affect the strength of the binding. vu