Cryobacterium aureum FabH enziminin hesaplamalı yapısal biyoloji yaklaşımıyla incelenmesi
Analysis of Cryobacterium aureum FabH enzyme with computational structural biology approach
Yazar: SURA SANEM KÖSE
Danışman: DOÇ. DR. ÖZAL MUTLU
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Biyoenformatik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Ekstremofiller, aşırı pH, sıcaklık, tuz konsantrasyonu, basınç vb. ortamlarda yaşayabilen organizmalardır. Bu organizmalar arasında psikrofiller daha düşük sıcaklıklarda (optimal büyüme sıcaklığı ≤ 15°C) büyüme ve üreme yeteneğine sahiptir. Canlılığın başlangıç noktasının hidrotermal bacalar gibi termofilik koşullar olduğu varsayılsa da günümüz biyosferinin neredeyse %80'i 5 oC ve altındaki sıcaklıklara sahip olup, psikrofilikler gibi bu koşullara adaptasyon sağlamış organizmaları barındırmaktadır. Bu yüzden psikrofilikler hem farklı sıcaklıklardaki evrimsel radyasyonun hem de gezegenlerin sıvı su barındıran soğuk aylarında (Europa ve Enceladus gibi) bulunan muhtemel yaşam izlerini araştırmamızda bize yol gösteren eşsiz organizmalardır. Termal adaptasyon ve hayatta kalma için en önemli faktörlerden ikisi yağ asidi tipleri ve hücre zarı bileşenleridir. Çoğu bakteri ve bitki plastidinde bulunan Tip II yağ asidi sentez sistemi (FAS II), her biri yağ asidi biyosentetik yolunun bireysel reaksiyonunu katalize eden bir dizi ayrı ve yüksek oranda korunmuş bir enzim grubu kullanarak yağ asitlerini sentezlemektedir. Bu tez çalışmasının amacı, psikrofilik Cryobacterium aureum bakterisine ait FAS II sentez yolağında yağ asidi sentez döngüsünün başlatıcısı olan FabH (CaFabH) (β-ketoasil-[asil-taşıyıcı-protein] sentaz III, KAS III) enziminin düşük sıcaklıklarda ki adaptasyonunun altında yatan nedenlerin hesaplamalı yapısal biyoloji yaklaşımlarıyla anlamaya çalışmaktır. CaFabH enziminin yapısal ayırıcı niteliklerinin belirlenmesinde dizi analizi, protein kararlılık hesaplamaları, moleküler dinamik simülasyonları, temel bileşen analizi (PCA) ve dinamik çapraz korelasyon matrisi analizi (DCCM) kullanılmış olup moleküler yanaştırma ile enzimin asetil/açil-KoA substratlarına olan seçiciliği araştırılmıştır. Simülasyon sonuçlarına göre RMSD, Rg, SASA değerlerinin ortalaması diğer sıcaklıklarla karşılaştırıldığında daha yüksek iken, hidrojen bağ sayısı ve ΔGsolv değerlerinin daha düşük olması, CaFabH enziminin 278 K sıcaklıkta kataliz yapmaya uygun şekilde daha esnek bir yapı sergilediğini göstermiştir. Buna ek olarak CaFabH enzimi yüksek sıcaklıklarda da (303 K ve 348 K) kararlı bir yapı göstermiştir. Tez çalışmasının sonuçları psikrofilik FabH enziminin düşük sıcaklıklara nasıl uyum sağladığı ve nasıl çalıştığı hakkında daha detaylı bilgi edinmemizi sağlarken bir diğer yandan evrende yaşamın sınırlarının anlaşılması ve aynı zamanda düşük donma noktasına sahip dallı-zincirli yağ asidi kökenli biyoyakıtların üretilmesi gibi biyoteknolojik uygulamalarda da daha verimli enzimlerin geliştirilmesinin önünün açılmasına olanak sağlayabilecektir.

Abstract:
Extremophiles are organisms that can thrive in environments like extreme pH, temperature, salt concentration, pressure, etc. Among these organisms, psychrophiles have ability to grow (optimal growth temperature ≤ 15°C) and reproduce at lower temperatures. Although the starting point of life is assumed to be thermophilic conditions such as hydrothermal vents, almost 80% of today's biosphere has temperatures of 5°C and below, and is home to organisms that have adapted to these conditions, such as psychrophiles. Psychrophilic organisms are therefore unique organisms that guide us in our search for possible traces of life both in the evolutionary radiation at different temperatures and on the cold moons of planets with liquid water (such as Europa and Enceladus). Most important factors for thermal adaptation and survival are the types of fatty acids and composition of the cell membrane. The Type II fatty acid synthesis system (FAS II), found in most bacteria and plants, synthesizes fatty acids using a number of different and highly conserved groups of enzymes, each catalyzing an individual reaction of the fatty acid biosynthetic pathway. The aim of this thesis is to try to understand the reasons behind the adaptation of FabH (CaFabH) (β-ketoacyl-[acyl-carrier-protein] synthase III, KAS III) enzyme, which is the initiator of the fatty acid synthesis cycle in the FAS II synthesis pathway of the psychrophilic Cryobacterium aureum bacterium, at low temperatures using computational structural biology approaches. Sequence analysis, protein stability calculations, molecular dynamics simulations, principal component analysis (PCA), and dynamic cross-correlation matrix analysis (DCCM) were used to determine the distinguishing structural characteristics of the CaFabH enzyme, and the selectivity of the enzyme to acetyl/acyl-CoA substrates was studied by using molecular docking. According to the simulation results, the average values of RMSD, Rg, SASA were higher at 278 K than at higher temperatures (303 K and 348 K), while lower average hydrogen bond number and ΔGsolv energies indicated that CaFabH enzyme exhibited a more flexible structure suitable for catalysis at 278 K. In addition, CaFabH enzyme showed a stable structure at higher temperatures (303 K and 348 K). The results of this thesis will provide us with more detailed information on how the psychrophilic FabH enzyme adapts to low temperatures and how it works, while paving the way for the development of more efficient enzymes for biotechnological applications such as the production of branched-chain fatty acid-based biofuels with low freezing points and also understanding the limits of life in the universe.