Poly-n-izopropilakrilamid (PNIPAM)-sistein (CYS) yapısının modellenmesi ve moleküler dinamik yöntemiyle incelenmesi
Modelling and molecular dynamical investigation of poly-n-isopropylacrylamid (PNIPAM) – cysteine (CYS) conjugation
Yazar: BARIŞ UZUN
Danışman: PROF. DR. HASAN TATLIPINAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Blok kopolimerler = Block copolymers ; Moleküler dinamik = Molecular dynamic

Özet:
Poli-N-(izopropilakrilamid) (PNIPAM) polimeri biyomedikal uygulamalarda kullanılma potansiyeline sahip, üzerine çokça araştırma yapılmış bir dış uyarıcıya karşı tepki gösteren önemli bir polimerdir. PNIPAM polimeri alt kritik çözünme sıcaklığı (LCST) olarak isimlendirilen ve yaklaşık 32 oC olan kritik sıcaklık üzerinde yapısal değişim gösterir ve hidrofilik davranıştan hidrofobik davranışa geçer.  PNIPAM'ın insan vücut sıcaklığı ile karşılaştırıldığında düşük bir biyoçözünürlüğe sahiptir, vücut içerisinde toksik etki oluşturmasını en aza indirgemek için biyoçözünürlüğünü arttıracak biyomoleküller ile birleştirilebilir. Bu nedenle örneğin sistein gibi moleküller kullanılabilir. Sistein (CYS) amino asidi protein yapısında önemli role sahip bir biyomoleküldür ve PNIPAM biyoçözünürlüğünü arttırmak için kullanılabilir. Moleküler dinamik yöntemi, biyolojik sistemlerin bilgisayar ortamında incelenmesinde kullanılan ve sistemlerin yapısal değişimlerini belirlemek için güçlü bir araçtır. Birçok farklı kuvvet alanı ve su modelleri kullanılarak herhangi bir biyolojik sistem için deneysel veriler ile örtüşecek hesaplamalar yürütülebilir. Bu çalışmada PNIPAM homopolimeri için hesaplamalar yapılıp literatürde olan değerler ile karşılaştırıldıktan sonra homopolimer değerleri referans alınarak PNIPAM-CYS kopolimeri oluşturuldu ve CYS bağlantısının polimer üzerindeki etkileri incelendi. Sistemler GAFF ve OPLS/AA iki farklı kuvvet alanı kullanılarak tanımlandı ve hem genelleştirilmiş Born Yüzey Alanı modeli ile hem de TIP4P su molekülleri ile su içerisinde çözündü. PNIPAM'ın LCST değeri üzerinde ve altında, 280K ve 320K için oluşturulan sistemler 20 ns süresi boyunca simüle edildi. Simülasyon sonuçları PNIPAM-CYS yapısının, homopolimer ile benzer davranış gösterdiğini, polimerin LCST üzerinde topaklandığını ve suda çözünmez hale geçtiğini gösterdi.

Abstract:
Poly-N(isopropylacrylamide) (PNIPAM), is a well known stimuli- responsive polymer which has been extensively investigated and has a great potential in biomedical researches.  PNIPAM polymer shows  coil-to-globule transition above 32 oC critical temperature known as lower critical solution temperature (LCST) and its state changes from hydrophilic to hydrophobic. However, PNIPAM has low biodegredability, to avoid any toxic effect on body when it is used, it can be conjugated with biomolecules that could increase its biodegredability. Cysteine (CYS) amino acid is a biomolecule which plays an important role in protin structure and it can increase the biodegradability of PNIPAM. Molecular Dynamic is  a powerful tool that can be used to investigate biological systems and to determine their structural changes. Calculations could be done for biological systems in many different forcefields and water models to coincide experimental results. In this work, after the calculations for PNIPAM homopolymer to compare the results in literature, these datas are used as reference and PNIPAM-CYS copolimer is constructed to understand the effect of CYS over polymer. Systems are built with two different forcefields namely GAFF and OPLS/AA and then systems are solvated in both implicit and explicit models. Above and below the LCST value of PNIPAM, at 280 K and 320 K, both systems are simulated for 20 ns. Results show that the copolimer has the same transitional changes as homopolymer, it gets shrinked above LCST and becomes insoluble.