Farklı antimikrobiyal ajanların streptococcus mutans sortaz A enzimi üzerindeki etkinliklerinin moleküler modelleme yöntemi ile incelenmesi
Investigation of the activity of different antimicrobial agents on streptococcus mutans sortase A by molecular method
Yazar: MERVE SALMANLI
Danışman: PROF. DR. TAMER TÜZÜNER
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Diş Hekimliği Fakültesi / Pedodonti Ana Bilim Dalı
Derece: Diş Hekimliği Uzmanlık, 2020
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Diş Hekimliği = Dentistry
Dizin: Antimikrobiyal ajanlar = Antimicrobial agents ; Diş çürükleri = Dental caries ; Enzimler = Enzymes ; Modeller-moleküler = Models-molecular ; Moleküler yapı = Molecular structure ; Streptococcus = Streptococcus ; Streptococcus mutans = Streptococcus mutans

Özet:
Diş çürüğü, dünya nüfusunun yarısında görülen önemli ölçüde, ağrı, diş kaybı, yetersiz beslenme ve kaygıya neden olan yaygın bir kronik hastalıktır. Gram-pozitif bakteri Streptococcus mutans (S.mutans) diş çürüğünün ana patojeni olarak kabul edilir. S.mutans'ın yüzey proteinlerinden Sortaz A (SrtA) enzimi,  biyofilm oluşumu ile ilişkili enfeksiyonların önlenebilmesi için antimikrobiyal ve çürük önleyici maddelerin geliştirilmesinde potansiyel bir hedeftir. Bu çalışmada, moleküler modelleme yöntemleri kullanılarak S.mutans SrtA enziminin inhibisyon mekanizmasının moleküler seviyede aydınlatılması ve temel yapısal özelliklerini ortaya çıkarılması ile mevcut inhibitörlerden daha etkin ve daha az yan etkiye sahip inhibitörlerin belirlenip deneysel çalışmalara ışık tutması hedeflenmektedir. Bu doğrultuda 1. aşamada; hedef enzimin 3-boyutlu yapısı ve inhibitörlerin bağlanma afinitesi gösterebileceği etkileşim bölgeleri belirlenmiştir. 2.aşamada, veri tabanları aracılığıyla S.mutans SrtA enzimi inhibisyonuna yönelik kimyasal bileşikler taranmıştır. 3.aşamada taranan bu bileşikler farmakokinetik açıdan değerlendirilmiştir. 4.aşamada; farmakokinetik açıdan uygun olan bileşikler ile hedef enzim yapısı arasında moleküler kenetlenme yöntemi uygulanarak serbest bağlanma enerjisi ve inhibisyon katsayısı hesaplanmıştır. Son aşamada ise, enzim-ligand etkileşim mekanizmasında rol oynayan aminoasitler moleküler seviyede aydınlatılmıştır. Taramalar sonucunda, S.mutans SrtA enzimi inhibisyonuna yönelik 102 bileşik belirlenmiştir. S.mutans üzerindeki antibakteriyel etkisi bilinen klorheksidin (CHX) pozitif kontrol olarak belirlenmiştir. Yapılan kenetlenme sonuçlarına göre,  S.mutans SrtA enzimine karşı 6 bileşik (78, 10, 75, 12, 17, 97) pozitif kontrol CHX'in serbest bağlanma enerjisinden (-6.29 kcal/mol) yüksek bağlanma enerjisine sahip olup (sırasıyla, -7.18, -6.59, -6.53, -6.47, -6.43, -6.39 kcal/mol) daha etkin bağlanma affinitesi göstermiştir. Ayrıca bu etkin bileşikler CHX'e göre farmakokinetik açıdan daha uygun bulunmuş ve SrtA enziminin biyolojik aktivitesinde önemli role sahip Arg213 ve Cys205 aminoasitleriyle güçlü bir kimyasal etkileşim oluşturmuşlardır. Bu çalışma sayesinde, çok sayıda kimyasal bileşiğin daha hızlı bir şekilde test edilererek diş çürüğünün önlenmesine yönelik olarak SrtA enzimine karşı daha etkin ve spesifik inhibitörlerinin geliştirilmesine imkân sağlanmıştır. 
Anahtar kelimeler: Diş çürüğü, enzim inhibisyonu, moleküler kenetlenme, Streptococcus mutans, Sortaz A

Abstract:
Tooth decay is a common chronic disease that affects half of the world's population significantly causing pain, tooth loss, malnutrition and anxiety. Streptococcus mutans (S.mutans), a gram-positive bacteria, is considered the main pathogen of the tooth decay. Sortase A (SrtA) enzyme, one of the surface proteins of S.mutans, is a potential target in the development of antimicrobial and caries prevention agents to prevent infections associated with biofilm formation. In this study, by using molecular modeling methods to elucidate the inhibition mechanism of S.mutans SrtA enzyme at the molecular level and to reveal its basic structural features, it is aimed to determine the inhibitors that are more effective and have less side effects than existing inhibitors and to shed light on experimental studies. In this direction, in the first stage; the 3-dimensional structure of the target enzyme and interaction sites where inhibitors can show binding affinity were determined. In step 2, chemical compounds for S. mutans SrtA enzyme inhibition were screened through databases. In step 3, these compounds that were screened were evaluated for pharmacokinetics. In step 4, the free binding energy and inhibition coefficient were calculated by applying the molecular docking method between the pharmacokinetically suitable compounds and the target enzyme structure. At the last stage, amino acids that play a role in the enzyme-ligand interaction mechanism have been enlightened at the molecular level. As a result of the screening, 102 compounds were identified for S.mutans SrtA enzyme inhibition. Chlorhexidine (CHX) with known antibacterial effect on S.mutans was determined as a positive control. According to molecular docking results, 6 compounds (78, 10, 75, 12, 17, 97) on S.mutans SrtA enzyme had higher free binding energy (-7.18, -6.59, -6.53, -6.47, -6.43, -6.39 kcal/mol, respectively) than positive control CHX (-6.29 kcal/mol) showed more effective binding affinity. In addition, these active compounds were found to be more pharmacokinetically suitable than CHX and formed a strong chemical interaction with Arg213 and Cys205 amino acids, which have an important role in the biological activity of the SrtA enzyme. Thanks to this work enabled the development of more effective and specific inhibitors against the SrtA enzyme for the prevention of tooth decay by testing many chemical compounds more rapidly.
Keywords: Enzyme inhibition, molecular docking, Streptococcus mutans, Sortase A, tooth decay