Geri Dön

Single-molecule force experiments of motor proteins via molecular dynamics simulations

Motor proteinlerinin bilgisayar ortamındaki çekme deneylerinin moleküler dinamik simülasyonlarıyla gerçekleştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 573233
  2. Yazar: MOHAMMADAMIN SALEHI TABRIZI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT GÜR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 55

Özet

Kimyasal enerjiyi mekanik işe dönüştürebilen biyolojik moleküller motor proteinleri veya moleküler motorlar olarak bilinir. Bu nanometre büyüklüğündeki makineler, genetik bilgi aktarımı, hücre içi taşıma, organizasyon ve işleyişi gibi temel hücresel süreçlerinde önemli görevler alırlar. İnsan vücudunda birçok farklı tip moleküler motor vardır. Miyozin motor proteinleri kas kasılmalarında rol oynamaktadırlar. Diğer bir motor proteini sınıfı olan dineinler, hücre içerisinde mikrotübüller üzerinde eksi yönde taşımayı gerçekleştirmekle görevlidirler. Kinezin motor proteinleri de miktrotübüller üzerinde iki yönde de taşımayı sağlarlar. Tüm bu nano ölçekli makineler kimyasal enerjiyi benzer prensipler kullanarak mekanik işlere dönüştürürler. Bu katalitik işlemler sırasında salınan kimyasal enerjinin bir kısmı bir şekilde moleküler motorlar tarafından mekanik harekete yönlendirilir. Son yıllarda motor proteinleri, moleküler motor dinamiğinin temel prensiplerini ve mekanizmalarını ortaya çıkarmayı amaçlayan yoğun araştırma çabalarına konu olmuştur. Motor proteinlerinin mekanik özelliklerinin incelenmesi için Moleküler Dinamik (MD) simülasyonları önemli bir yöntemdir. Bu tez çalışmasında, MD simülasyonları kullanılarak miyozin ve dinein motor proteinlerinin MD simülasyonları yapılmıştır. Çalışmanın ilk adımında literatürde yapılan bir çalışma ve uygulanan teknik tekrar edilerek uygulanan yöntemin uygulayış şekli ve elde ettiğimiz verilerin doğruluğu valide edilmiştir. Söz konusu validasyon sonrasında ise, tezin ikinci aşaması olarak ilk aşamada uygulanan yöntem önceden MD simülasyonları ile çalışılmamış bir protein hareketini modelleme amacıyla uygulanmıştır Çalışmanın ilk aşamasında miyozin VI proteinin MD simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Motor proteinlerinden birisi olan miyozin VI'nın büyük ölçekli adımlar atabilmesi kuvvet kolu bölgesinin proksimal kuyruk (PT) bölgesinin uzayabilmesi/genişleyebilmesi sayesinde gerçekleşmektedir. Bu tez çalışmasında yönlendirilmiş MD simülasyonları gerçekleştirerek PT bölgesinin üç alfa sarmalı uzatılıp PT bölgesi genişletilmiştir. MD simülasyonlarında kullanılacak olan miyozinin VI kolunun yapısı, Protein Veri Bankasından (PDB) elde edilmiştir. Miyozinin büyük ve asimetrik bir yapısı bulunmaktadır. Uzun bir proksimal kuyruğu (PT) ve iki adet küre şeklinde kafa bölgesi bulunmaktadır. Pt bölgesinin uzama/genişleme hareketinde önemli bir görevi olan IQ-kalmodulin motifi ve PT bölgesinin bu simetrik yapının bir tarafında bulunmakta ve diğer kısımlardan ayrılmaktadır. IQ-kalmodulin motifi kuvvet kolu hareketini düzenleyen önemli sekans bölgesi içermekte iken, PT bölgesi miyozin proteininin mikrotübüle bağlanmasını sağlayan genişleyen kısım olarak görev yapmaktadır. Yapının incelenmesinde önemli olan ilk adım olarak gerçekçi bir hücre ortamının oluşturulabilmesi için, IQ-kalmodulin-PT yapısı belirli boyutlardaki bir su kutusuna yerleştirildi ve 50 mM potasyum klorür (KCl) ile nötralize edildi. Bu işlem sonrasında, oluşturulan sistemin kararlı durumuna ulaşabilmesi için, oluşturulan sistem dengeye getirildi. Bu adım, birinci seviyesinde yapının tüm omurgasına baskılamalar uygulanarak ve ikinci seviyede kısıtlamalar uygulanarak 5 seviyede gerçekleştirildi. Üçüncü adım olarak, PT bölgesinin ilk rezidüsü sabitlenerek ve son rezidüsüne ise sabit hız çekme kuvvetinin uygulanarak SMD simülasyonları gerçekleştirildi. Bulunan veriler literatür ile karşılaştırılarak uygulanan yöntem valide edilmiştir. Tez çalışmanın ikinci aşamasında, başka bir motor proteini olan dineinin güç stroku öncesi ve güç stroku sonrası kuvvet kolunun yapısındaki değişim modellenmiştir. Sitoplazmik dinein, birbirine bağlanmış iki aynı mikro moleküler makineden oluşan ve her biri kimyasal enerjiyi işe dönüştüren bir hekzamerik halka şekilli katalitik alan içeren homodimerik bir motordur. Her bir dinein monomerinde hekzamerik halka 6 adet AAA+ bölgesinden oluşmaktadır ve bu bölgeye motor bölgesi veya baş bölgesi denmektedir. Bu katalitik halkadan çıkan 4 uzantı vardır: sap, payanda, kuvvet kolu ve C-terminal bölgesi. Dineinin kuvvet kolu ATP hidrolizinden gelen enerjiyi kullanır ve güç strokları arasındaki geçişte bükülme ve açılma haraketi yapar. Güç stroku öncesinde kuvvet kolu bükük halde iken güç stroku sonrası düz halde bulunmaktadır. Dinein proteinin güç stroku sonrası halden güç stroku öncesi hale geçişine hazırlama stroku denilmektedir. Miyozin için uygulanan benzer adımlar izlenerek, dinein motor proteininin güç stroku öncesi ve güç stroku sonrası arasındaki hazırlama stroku sırasında gerçekleştirdiği kuvvet kolu hareketleri kısmı olarak modellenmiş ve bu çekme hızlarında uygulanan tersinmez iş miktarı ölçülmüştür. Miyozin uzantısına benzer şekilde, SMD işlemi kuvvet ve gevşetme uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Önceki çalışmadan farklı olarak, SMD simülasyonu sırasında protein omurgasındaki rezidüler sabitlenmek yerine sınırlandırılmıştır. Dineinin bağlayıcı alanındaki üç alfa helis seçilmektedir ve her alfa sarmalında, SMD simülasyonu sırasında bir bozulmaya neden olmayacak bir mesafeden bir artık belirlenmektedir. PDB' den elde edilen ilk yapı, insana ait dineininin ön güç stroku durumunu belirten dinein-2 motor proteinine aittir. Bu yapı literatürde[1] MD simülasyonları ile modellenmiştir. Sunulan tez çalışmasında literatürdeki MD simülasyonundan elde edilen suda çözünmüş dinein protein yapısı[1] kullanılmıştır. Güç stroku öncesi, kuvvet kolu alanı bükülmüş vaziyettedir (PDB: 4RH7). İkinci yapıda ise, kesilmiş mikrotübül bağlanma bölgesi olan dinein motor MTBD'nin bir parçasına sahip değildir ve adenozin difosfat (ADP) buna bağlanmıştır. Bu dinein, A monomerinde antiparalel sarmallı düz bir sapa ve daha kısa sarmallı sarmaldan yapılmış kıvrılmış sapa sahiptir (PDB: 3VKG). 4RH7 ve 3VKG dinein yapılarının istenen parçaları birbirine hizalanmıştır. 4RH7 dineininin bağlayıcı alanındaki üç alfa helis seçildi ve her alfa sarmalında, SMD simülasyonu sırasında bir bozulmaya neden olmayacak bir mesafeden bir artık tespit edimiştir. Seçilen amino asitlerin (1264, 1309, 1325) alfa karbonlarının kütle merkezi ölçülmüştür. 3VKG yapının birleştiricisi için 3 alfa helis de seçilir ve uygun mesafelerdeki kalıntılar belirledi. Seçilen amino asitlerin alfa karbonlarının kütle merkezi (1531, 1572, 1588) ölçmüştür. Bu kütle merkezi arasında bir vektör oluşturulmuştur. Dinein kuvvet kolunun hareketinin modellenmesi için by vektör boyunca söz konusu atomlara çekme kuvveti uygulanmıştır. Bu SMD simülasyonlarında, bağlayıcının menteşe bölgesi olan 1415 ila 1425 arasındaki artıkların alfa karbonları sabit olarak alındı. SMD simülasyonlarında yay sabiti olarak 25 kcal / mol Å2 ve çekme hızı ise 1 Å / ns olarak seçildi. Her SMD simülasyonu 5ns ucunluğunda olup toplamda 5 tane SMD simülasyonu gerçekleştirilmiştir. SMD simülasyonları arasında 10ns uzunluğunda yapısal kısıtlayıcı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlarda kısıtlayıcı potansiyellerin uygulanacağı atomlar 1415, 1425, 1264, 1309, ve 1325 amino asitlerin alfa karbon atomları seçilmiştir. Yay sabiti kısıtlama simülasyonlarında 5 kcal / mol Å2 olarak seçildi. Toplamda 5 SMD ve 4 sınırlandırma simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonların sonucunda kuvvet kolu güç stroku öncesi yapısına yaklaşmıştır.

Özet (Çeviri)

Due to their significant role in muscle contraction and intracellular cargo transport, motor proteins have gained much interest in recent years. Motor proteins convert the energy obtained by ATP hydrolysis into mechanical energy. Molecular Dynamics (MD) simulations is a powerful methodology to investigate the mechanic properties of motor proteins. In this thesis work, MD simulations of myosin and dynein were performed. All myosins have a conserved domain organization: an N-terminal motor domain, a neck region (lever arm) containing one to six IQ motifs that provide binding to light chains or calmodulin, and a highly variable tail domain. Large-scale stepping of myosin VI is facilitated by the extension of the proximal tail domain of lever arm region of myosin. Proximal tail domain of lever arm region of myosin was extended by steered molecular dynamics (SMD) simulations. In SMD simulations the center of mass of a group of atoms is pulled along a vector. MD simulations results of proximal tail domain of lever arm region were compared with literature and our results were validated. As a second step, the linker structural transition of the motor protein dynein between its pre-Powerstroke and post power stroke states were modeled using SMD simulations. Cytoplasmic dynein is a homodimer and consists of two identical heavy chains. The heavy chain includes a motor domain that comprises a ring of six AAA+ domains (AAA1-6) and four structures protrude: stalk, linker, buttress, and C-terminal domains. In the dynein pre Powerstroke state the linker is in a bent conformation while in the post power stroke state it is in a straight conformation. A similar procedure as it was applied to myosin was performed for dynein and the transition was partially modeled. The SMD simulations performed at finite constant velocities provided us irreversible work values for this transition at the selected velocities.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75017

    Çeşitli katkılı ve katkısız polimer yatakların sürtünme ve aşınma karakteristiklerinin deneysel tayini

    Başlık çevirisi yok

    VEDAT TEMİZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA GEDİKTAŞ

  2. Tez No

    675965

    Quantifying the ignition delay of single wall carbon nanotube emulsified marine fuel oil influencing the combustion and diesel engine efficiencies

    Tek duvarlı karbon nanotüp ile emülsifiye edilmiş dizel yakıtı tutuşma gecikmesinin yanma ve dizel makinesi verimleri üzerine olan etkisinin değerlendirilmesi

    TOLUNAY KAYAARASI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    DenizcilikPiri Reis Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZKAYNAK

  3. Tez No

    433973

    Design of a modified AFM setup with miniaturized-magnetic particle actuators for biomolecular applications

    Biyomoleküler uygulamalar için küçültülmüş manyetik parcacık eyleyicili muaddel atomik kuvvet mikroskobu tasarımı

    SEMİH SEVİM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Bilim ve TeknolojiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HAKAN ERTÜRK

    YRD. DOÇ. DR. HAMDİ TORUN

  4. Tez No

    325543

    Analysis of thermal drift in atomic force microscopy and design of compensating MEMS-based micro-stage

    Atomik kuvvet mikroskobunda gözlenen ısıl sapmanın analizi ve sapma önleyici mikro-yapı tasarımı

    SELİN TOLUNAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. HAMDİ TORUN

  5. Tez No

    409247

    A software-based controller for single-molecule experiments using an atomic force microscope integrated with a magnetic manipulator

    Manyetik manipülatöre bağlı atomik kuvvet mikroskobuyla yapılan tek moleküllü deneyler için yazılım temelli kontrolcü

    LUYING FENG

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HAMDİ TORUN

Geri Dön