Proteinlerin çözelti ve gaz fazındaki konformasyonlarının tuzaklı iyon hareketliliği-kütle spektrometrisi kullanılarak incelenmesi
Investigation of solution and gas phase conformations of proteins using trapped ion mobility-mass spectrometry
Yazar: BUĞRA BALABAN
Danışman: PROF. DR. BEKİR SALİH
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Biyolojik moleküller = Biological molecules ; Fizikokimya = Physical chemistry ; Kütle spektrometri = Mass spectrometry ; Moleküler dinamik benzetimi = Molecular dynamic simulation ; İyon taşıma spektrometrisi = Ion mobility spectrometry

Özet:
Gaz fazındaki protein konformasyonunun çözelti fazındaki konformasyonu yansıtıp yansıtmadığı hakkında literatürde birçok yöntemle açıklamalar yapılmaya çalışılmakta olup henüz bu konu tam anlamı ile açıklığa kavuşturulmuş durumda değildir. Literatürde bu alanda yapılan çalışmalarda çözelti fazındaki proteinin pH, sıcaklık, iyon şiddeti değişimi ve çözücü gibi parametrelerin değiştirilmesi sonucunda meydana gelen çözelti fazındaki protein konformasyon değişikliklerinin proteinin gaz fazındaki konformasyonunun değişimi üzerindeki etkileri incelenmektedir.
Bu tez kapsamında gaz fazındaki protein konformasyonunun, çözelti fazındaki protein konformasyonunu ne kadar yansıttığı açıklığa kavuşturulmaya çalışılmıştır. Proteinlerin farklı çözelti koşullarına ek olarak polistren sülfonat polimeri ile etkileşimi sonucunda çözeltide gerçekleşen değişimlerin gaz fazına yansıyıp yansımadığı hakkında çalışmalar yapılmıştır.
Bu çalışmada çözeltide meydana getirilen değişimlerin (metanol eklenmesi ile yapının denatüre olması, iyon kaynağı sıcaklığının değiştirilmesinin etkin çarpışma kesiti üzerine etkileri, pH değişimi ile yapının pI noktasına ilerledikçe kompakt konformerlerin görülmesi gibi) proteinin gaz fazındaki konformasyonel özelliklerine yansıdığı gözlenmiştir. Literatürde pH ve organik çözelti değişimlerinin model proteinlerin konformasyonları üzerindeki etkilerinin incelendiği birçok çalışma bulunmaktadır. Bu nedenle, bu tez çalışmasındaki analizlerin literatüre daha fazla katkıda bulunabileceği düşünülen fizyolojik koşullarda yürütülmesi gerektiği düşünülmüştür. Tez kapsamında özellikle ESI-MS analizlerinde fizyolojik koşullara yakın koşulların sağlanması amacıyla yaygın olarak kullanılmakta olan amonyum asetat tuzunun protein yapıları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu analizler sonucunda elde edilen veriler değerlendirildiğinde, proteinin amonyum asetat çözeltisi içerisinde sadece su içerisinde olmasına kıyasla daha kompakt bir konformasyona sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Aynı zamanda amonyum asetat derişimindeki değişikliğin polimer-protein etkileşimlerine de etki ettiği görülmüştür.
Polimer-protein etkileşimleri sonucunda çözeltide oluşan kompleksler gaz fazında da görülmüş ve bu komplekslerin bazı yüklerde kompaktlaştığı hakkında bilgiler edinilmiştir. Protein ile etkileşen polimerin zincir uzunluğu arttıkça, protein yapısının kapandığı belirlenmiştir. Etkileşimlerin daha iyi açıklanabilmesi adına moleküler dinamik simülasyonlardan faydalanılmıştır. Söz konusu konformasyonel etkilerin gaz fazında mı yoksa çözelti fazında mı gerçekleştiğinin anlaşılabilmesi için simülasyonlar kaba tanecikli modelleme ile Martini3 alan kuvveti ve GROMACS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre bu kompleksleşmenin büyük çoğunluğunun çözelti fazında gerçekleştiği ve kompleksin gaz fazında korunduğu yönündedir.

Abstract:
The issue on protein conformation in the gas phase has not been fully clarified yet. The protein conformation in the gas phase may be affected by conformational changes in the solution phase, which occur due to the changes in the parameters such as pH, temperature,  ionic strength concentrations, and the types of solvents in the solution phase. 
This thesis has been tried to clarify how much of the protein conformation in the gas phase reflects the protein conformation in the solution phase. In addition to various solution conditions, studies have been carried out on whether the changes that occur in the solution result from the interaction of the proteins with the polystyrene sulfonate polyelectrolyte.
In this study, it was observed that the changes in the solution phase (the addition of methanol, changein the ion source temperature, and pH change) affect the conformational properties of the protein in the gas phase. Many studies in the literature examine the effects of pH, the presence of organic solvent, and how they affect the conformation of model proteins. For this reason, it was thought that this thesis's analyses should be carried out under physiological conditions, which can contribute more to the literature. Within the scope of the thesis, the effects of ammonium acetate, which is widely used salt in ESI-MS analyses of proteins to provide nearly  physiological conditions were investigated. It was concluded that the protein has more compact conformation in ammonium acetate solution than just in water. The change in ammonium acetate concentration also affects the polyelectrolyte-protein interactions.
The polyelectrolyte-protein complexes formed in the solution were also seen in the gas phase and  the compaction of these complexes at some charge states were observed. The protein becomes more compact with the increase in the chain length of the polyelectrolyte. Molecular dynamics simulations were also performed to explain the polyelectrolyte-protein interactions.The simulations were carried out with GROMACS molecular dynamics program and Martini3 Force-Field with the coarse-grained model. According to the simulation results, most of this complexation occurs in the solution phase and the complex is preserved in the gas phase.