Tetramerik hexcoil-ala demetinin moleküler dinamik simülasyon yöntemi ile incelenmesi
Investigation of tetrameric hexcoil-ala bundle by molecular dynamics simulation method
Yazar: HAKAN ALICI
Danışman: DOÇ. KADİR DEMİR
Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyofizik = Biophysics ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Proteinler hücre ve canlı organizmalarda kararlılık, hareketlilik, kataliz, tanıma, patojen
temizleme, sinyal verme, sıralama ve şekil verme gibi birçok biyolojik olaylardan sorumlu
makromoleküllerdir. Proteinlerin bu çok farklı biyolojik fonksiyonları, onların konformasyonel
yapılarına ve katlanma mekanizmalarına oldukça bağlıdır. Doğada var olmayan yeni biyolojik
fonksiyonları elde etmek amacıyla yapılan protein tasarımı çalışmalarına son zamanlarda büyük
ilgi duyulmaktadır. Bu noktada, Grigoryan ve arkadaşları tarafından de novo peptid olarak
tasarlanan HexCoil-Ala zinciri, hücre zarında ilaç tasarımı, ilaç taşınması, biouyumluluk,
hedefleme, doğum ve adsorpsiyon tedavileri gibi alanlarda yüksek kullanım potansiyeline sahip
olduğundan, büyük bir ilgi görmektedir. Bunun yanında HexCoil-Ala, tasarım mühendisliği
üzerinde önemli bir etkiye sahiptir ve yüksek derecede organize edilmiş makromoleküleri
üretmek ve geliştirmek için de kullanılmaktadır.
Proteinlerin konformasyonel yapılarının çeşitli deneysel tekniklerle ortaya konulabilmesine
karşın, bazı yapıların çeşitli nedenlerle deneysel olarak çözülememesi veya bazı çok özel
etkileşimlerin deneylerle izlenememesi sebebiyle, moleküler modelleme yöntemleri bu yapıları
veya etkileşimleri ortaya çıkarmak için kullanılabilir. Bu bağlamda moleküler dinamik (MD)simülasyonu protein konformasyonu ve kararlılığının ayrıntılarını anlamak için en çok tercih
edilen simülasyon tekniklerinden biridir.
Bu tez çalışmasında, kapalı çözücü içerisinde bulunan HexCoil-Ala zincirlerinin tetramerik bir
formunun konformasyonel karalılığına, hidrofobikliğine ve kendiliğinden toplanma
özelliklerine sıcaklığın etkisi, MD simülasyon tekniği ile sistematik olarak incelenmiştir. Elde
edilen MD verilerinin analizleri sonucunda, her bir zincirdeki merkezi aminoasitlerin terminal
bölgelerindeki aminoasitlere kıyasla yüksek oranda heliks ikincil yapılarına sahip oldukları
gözlenmiştir. Bu durumun, terminal bölgelerindeki aminoasitlerin iç bölgelerdekine göre daha
fazla suya maruz kalmasıyla ortaya çıktığı düşünülmüştür. Anti-paralel olarak yerleştirilmiş
tetramerik HexCoil-Ala zincirleri arasında oluşan Leu-Zipper ve Ala-Coil ara yüzey mesafeleri
kullanarak hesaplanan serbest enerji yüzeylerine bakıldığında, monomerlerin kendiliğinden bir
araya gelerek oluşturdukları dörtlü demet şeklindeki toplanmaların oldukça kararlı olduğu
görülmüştür. Bunun yanında çözelti ortamında tetramerik HexCoil-Ala demeti için MD
yöntemiyle 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. Ayrıca
elde ettiğimiz sonuçlar ışığında, sistemimizin tetramerik demet formunun korunmasında, Leu-
Zipper ara yüzeylerindeki E8-R25 aminoasitleri arasında oluşan zincirler-arası "doğrudan tuz
köprüsü" nün önemli bir rol oynadığı da açıktır. Sonuç olarak simülasyon sonuçlarımız,
tetramerik HexCoil-Ala demeti şeklindeki sistemimizin yüksek termal dayanıklılığa sahip
olduğunu ve 400 K sıcaklığa kadar bu tetramerik demet bütünlüğünü ve zincirlerin sahip olduğu
ikincil yapı özelliklerini genelde koruduğunu göstermiştir. Deneysel gözlemlerle iyi uyum
sergileyen sonuçlarımız, bu tip yapıların araştırılmasında MD simülasyon tekniğinin başarılı ve
kullanışlı bir teknik olduğunu teyit etmiştir.

Abstract:
In cells and living organisms, proteins are responsible for stability, mobility, catalysis,
recognition, pathogen clearing, signalling, ordering and shaping. These biological functions of
proteins depend on their conformational shapes and folding mechanisms. Recently, there is a
growing 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 potential
capacity of HexCoil-Ala for drug design, transporting, biocompatibility, targeting, delivery and
adsorption 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 for
developing highly ordered macromolecular assemblies.
Although conformational structures of proteins can be demonstrated by various experimental
techniques, molecular modelling and simulations can be used to reveal these structures or
interactions, since some structures cannot be experimentally solved for a variety of reasons, or
some 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 the
details of protein conformation and stability.
In this thesis study, the effect of temperature on conformational stability, hydrophobicity and
self-assembly properties of tetrameric HexCoil-Ala in explicit solvent was systematically
examined through MD simulations. As a result of these analyses, it was observed that central
residues of each monomer have highly helical percentages in comparison with the termini
residues. Because, the interaction between termini residues and water molecules has an effect
on stability in terminal region of monomers. When free energy landscapes of tetrameric
HexCoil-Ala bundle were calculated by using the distance between Leu-Zipper and Ala-Coil
interface, it was seen that the self-assembly of monomers were very strong. What's more, the
average 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-Zipper
interfaces of our system plays a significant role for keeping tetramer structure. Finally, our
simulation results show that our tetrameric HexCoil-Ala bundle has high thermal robustness
and mostly keeps its integrity and secondary structures propensities up to 400 K. Our results
are mostly in good agreement with the results of experimental observations, confirm that MD
simulation technique is a successful and useful technique in the investigation of such structures.