Geri Dön

Investigating structural and surface properties of serum proteins critical for protein adsorption on solid surfaces

Katı yüzeylerdeki protein adsorpsiyonu için serum proteinlerinin yapı ve yüzey özelliklerinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 596255
  2. Yazar: ELAY EMÜL SEYMEN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE ÖZGE KÜRKÇÜOĞLU LEVİTAS
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical 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: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 83

Özet

KATI YÜZEYLERDEKİ PROTEİN ADSORPSİYONU İÇİN SERUM PROTEİNLERİNİN YAPI VE YÜZEY ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ ÖZET Proteinler ve katı yüzeyler arasındaki moleküler etkileşimleri anlamak, biyomedikal ve nanoteknolojik uygulamalarda katı yüzeylerde protein adsorpsiyonunu kontrol etmek için son derece önemlidir. Proteinler nanosaniyeler içinde, bağ içermeyen etkileşimler yoluyla yüzeye adsorplanmaya başlar. Proteinin katı bir yüzeyde adsorpsiyon davranışı, büyük ölçüde yüzeyin özelliklerinden, çözeltiden ve proteinden kaynaklanan sayısız parametreye bağlıdır. Son yıllarda, protein adsorpsiyon fenomeni üzerine, farklı bakış açıları içeren çeşitli deneysel ve hesaplamalı çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Birçok çalışma, spesifik protein - katı yüzey - çözelti sistemlerinin adsorpsiyon davranışına odaklanırken, serum proteinlerinin yapısal ve yüzey özelliklerini araştıran sistematik bir çalışma bulunmamaktadır. Protein bir yüzeyle karşılaştığında meydana gelebilecek önemli protein konformasyonel değişiklikler üzerine birçok çalışma bildirilmiştir. Bu çalışmalar sayesinde değişimleri ölçen ve modelleyen yeni teknikler geliştirilmiştir. Bununla birlikte gelecekte yeni teknolojilerin tasarlanması için adsorpsiyonun mekanizmasının detaylı bir şekilde anlaşılması gerekmektedir. Bağ içermeyen etkileşimlerin gücü, adsorbe edilen proteinlerin belirli çevresel koşullar altında salınıp salınmayacağını kontrol ederken, proteinlerin oryantasyonu ve yapısı, malzemenin katı yüzeyine işlevsellik kazandırıp kazandırmayacağını belirler. Bir proteinin katı bir yüzeyde adsorpsiyon davranışı, yüzeyden, çözeltiden ve proteinden kaynaklanan çok sayıda parametreye bağlıdır. Son yıllarda katı yüzeylerde protein adsorpsiyonu hakkında çok fazla bilgi edinildi. Bununla birlikte, sayısız parametre ile katı yüzey özellikleri, proteinlerin yapısal yeniden düzenlemeleri, adsorpsiyon ortamının sıcaklığı ve pH'ı gibi sinerjik etkileri arasındaki ilişkiler hakkında birçok farklı ve karşıt görüşler bulunmaktadır. Tüm bu bilgiler doğrultusunda bu değişimleri ölçen ve modelleyen teknikler geliştirilmiştir. Bununla birlikte, sonuç olarak, protein adsorpsiyon / desorpsiyon mekanizmaları tam olarak anlaşılmamıştır ve her parametrenin protein adsorpsiyonu üzerindeki etkisinin hala açıklanması gerekmektedir. Yeni teknolojilerin tasarlanması için adsorpsiyonun detaylı bir şekilde anlaşılması gerekmektedir. Bu tez, özellikle serum proteinleri içeren, protein adsorpsiyon çalışmalarının yorumlanmasında faydalı olabilecek geniş ölçüde çalışılmış proteinlerin adsorpsiyon davranışını tahmin etmek için bir kılavuz sağlamayı amaçlamaktadır. Bu çalışmada incelenen insana ait serum proteinleri albümin, transferin, lizozim ve fibronektindir. Ayrıca yine salım çalışmalarında sıklıkla çalışılan bir büyüme faktörü –vasküler endotelial büyüme faktörü, VEGF – bu tezde incelenmiştir. Proteinlerin yapısal esnekliğini ortaya çıkarmak için tüm-atomlu moleküler dinamik (MD) simülasyonları ve elastik ağ modeli (anisotropic network model, ANM) kullanılmıştır. Moleküler dinamik simülasyonu, adsorpsiyondaki ara yolları ve öngörülemeyen etkileşimleri göstererek elde edilemeyen detaylara ulaşmakta anahtar bir rol oynar. Moleküler dinamik yaklaşımı parçacıklar arasındaki etkileşim potansiyellerinden faydalanır ve atomların dalgalanmalarının zamanın bir fonksiyonu olarak takip edilebilmesini sağlar. Bu tezde, Moleküler dinamik simülasyonları, CHARMM36 kuvvet alanı kullanılarak NAMD 2.13 paketi ile yapılmıştır. Tüm simülasyonlar açık su modelinde, NPT toplulukları kullanılarak periyodik sınır koşulları altında gerçekleştirilmiştir. Sistemin sıcaklığı ve iyon gücü sırasıyla 310 K ve 150 mM olarak ayarlanmıştır. Simülasyon süresi en az 50 ns olarak alınmıştır. Moleküler dinamik simülasyonları ve anisotropik network modelden elde dilen amino asit dalgalanmaları sonuçları birbiriyle uyumlu çıkmıştır. Buradan, proteinlerin esnekliğinin, moleküler dinamik simülasyonlarına kıyasla hesaplamalı olarak daha etkin bir yöntem olan anisotropik newtwork model kullanılarak belirlenebileceği tespit edilmiştir. Proteinlerin kristal yapılarının ve moleküler dinamik simülasyonlarından elde edilmiş konformerlerinin elektrostatik yüzey özellikleri, izoelektrik noktaları altında ve üstündeki farklı pH değerlerinde Adaptive Poisson-Boltzmann Solver yaklaşımı kullanılarak hesaplanmıştır. Sunulan tezde kullanılan moleküler dinamik simülasyonları ile anisotropik network model sayesinde elde edilen ortalama dalgalanma , ortalama sapmaların karekökü ve ulaşılabilir solvent yüzey alanı sonuçlarına bakılarak proteinlerin rijit veya esnek olup olmadığını sınıflandırmak mümkündür.Bunun yanında adaptif Poisson - Boltzmann Çözücü hesaplamaları yapılarak farklı pH'larda proteinlerin yüzeylere adsorbe edilip edilemeyeceği tahmin edilbilir. Elde edilen sonuçlara göre, fibronektin ve lizozim sert proteinler olarak sınıflandırılmıştır. Öte yandan, albümin, transferin ve vasküler endotelial büyüme faktörü proteinlerinin esnek oldukları belirlenmiştir. Proteinlerin yüzeylerinin izoelektrik noktalarının altında çoğunlukla pozitif yüklendikleri not edilmiştir. Bu çalışmada, farklı proteinlerin yüzey ve yapısal özellikleri incelenmiş ve gelecekteki adsorpsiyon çalışmaları için faydalı bilgiler üretilmiştir. Burada anlatılan hesaplamalı yaklaşımlar ile proteinin sert bir yüzeye adsorpsiyon davranışının tahmin edilebileceği gösterilmiştir. Burada kullanılan yöntemler ile hangi poteinin adsorpsiyon için uygun olacağı ve proteinin davranışının nasıl olacağı gelecekteki çalışmalar için deneyden önce tahmin edilebilir. Bunun bir sonucu olarak da öngörülemeyen ve istenmeyen sonuçların oluşabileceği birçok deney çalışmaların öncesinde önlenebilecektir. Bunun yanında moleküler dinamik simülasyonlarıyla karşılaştırıldığında anisotropic network modelin oldukça etkili olduğu gösterilmiştir. Anisotropic network modelin hesaplama süresi, moleküler dinamik simülasyonları gibi günler yerine dakikalar içinde tamamlanmıştır. Tüm sonuçlar her iki teknik için de tutarlılık göstermektedir. Deney öncesi yapılacak olan bu araştırmalar ile ciddi zaman ve malzeme kaybı önlenerek kazanç sağlanacaktır. Ayrıca, yine burada anlatılan yöntemler ile spesifik uygulamalar için protein adsorpsiyonunu kontrol eden moleküler düzeydeki etkileşimlere bir açıklık getirilebilir. Bu çalışmada kullanılan hesaplamalı yaklaşımlar hesaplama açısından verimli oldukları için, kristal yapıları olan diğer proteinlere de uygulanabilir. Sonuç olarak, gelecekteki araştırmaların başarılı olması, protein adsorpsiyon olaylarının arkasındaki moleküler kuralları farklı bakış açılarından açıklamak için birlikte yapılan hesaplama ve deneysel yöntemlere dayanacaktır.

Özet (Çeviri)

INVESTIGATING STRUCTURAL AND SURFACE PROPERTIES OF SERUM PROTEINS CRITICAL FOR PROTEIN ADSORPTION ON SOLID SURFACES SUMMARY Understanding molecular interactions between proteins and solid surfaces is highly important to control protein adsorption on solid surfaces in biomedical and nanotechnological applications. Proteins begin to adsorb on the surface within nanoseconds through non-bonded interactions as soon as biomaterials interact with a biological fluid such as blood. According to the application purpose, protein adsorption may be desired or not.For this reason adsorption have to be controlled for specific applications. In the last decades, a variety of experimental and computational studies has been focused on the protein adsorption phenomena from different perspectives. While many studies concentrate on the adsorption behavior of specific protein – solid surface – solution systems, there is a lack of a systematic study that investigates structural and surface properties of serum proteins. Many studies have reported significant protein conformational changes, which may occur as the protein encounters a surface. The strength of the non-bonded interactions control whether the adsorbed proteins can be released under certain environmental conditions, while the orientation and structure of the proteins dictate whether they can impart functionality on the solid surface. The adsorption behavior of a protein on a solid surface depends on numerous parameters that stem from the surface, the solution and the protein. A tremendous amount of knowledge has been gained on protein adsorption on solid surfaces in the last decades. However, there are still many different and opposing opinions on the relationship between numerous parameters and their synergetic effects, such as solid surface properties, structural rearrangements of proteins, and temperature and pH of the adsorption medium. According to all gained information, many techniques have been developed to measure and modeling these changes. However, as a result, the protein adsorption/desorption mechanisms are not completely understood and effect of each parameter on protein adsorption still needs to be explained. In order to engineer new technologies, detailed understanding of the adsorption is required. This thesis aims to provide a guideline for predicting adsorption behavior of widely investigated proteins that can be useful in interpreting protein adsorption studies, especially involving serum proteins. Protein structures investigated were the most abundant serum proteins of Homo sapiens, namely albumin, fibronectin, transferrin, fibrinogen, lysozyme and a growth factor VEGF. In order to reveal the structural flexibility of the proteins, full-atom molecular dynamics (MD) simulations and anisotropic network model (ANM) using normal mode analysis were used. Molecular dynamics simulations in explicit water were performed with the NAMD 2.13 package, using the CHARMM36 force field. All simulations were performed under periodic boundary conditions using NPT ensemble. Temperature and ionic strength of the system were set as 310 K and 150 mM, respectively. Simulation time was taken at least 50 ns. Root mean square fluctuations of residues obtained from anisotropic network model and molecular dynamics simulations highly agreed, indicating that the flexibility of proteins can be determined using anisotropic network model, which is a computationally efficient method when compared to molecular dynamics simulations. Electrostatic surface properties of the crystal structures of proteins in different pH values below and under their isoelectric points were calculated using adaptive Poisson-Boltzmann solver. In addition, changes in the electrostatic surfaces were monitored by using different conformations from molecular dynamics simulations. In the present work , it is possible to classify whether the proteins are rigid or flexible by looking to the mean square fluctuation , root mean squared deviations and solvent accessible surface area results which have taken from molecular dynamics simulations and anisotropic network model . In addition that, it may predicted if proteins could be adsorbed or not onto the charged surfaces by analysis at the Adaptive Poisson-Boltzmann Solver calculations at different pHs. Based on the results, fibronectin and lysozyme were classifed as rigid proteins. On the other hand, albumin, transferrin and VEGF were determined as flexible proteins. The proteins were mostly charged positively under their isoelectric point. Almost all of them showed that their charged are similar at isoelectric point and above isoelectric point. In this study, surface and structural properties of different types of proteins were examined, and results provided useful insights for future studies. Using the approach described here, protein's adsorption behavior on a solid surface can be predicted. In this way, which protein will be suitable for adsorption and how the protein behavior will be, can be predicted before the experiment for the future studies. As a result of that , many experiments which could be unpredictable and unintended, will be prevent before studies. It was shown that anisotropic network model was quite effective comparing with molecular dynamics. Because the computational time cost of anisotropic network model completed in minutes instead of days as like molecular dynamics simulations. Besides of that all the results were consistent for both techniques. Thus, serious time and material gain will be provided with this investigation. In addition, a molecular level explanation can be suggested for specific applications. The approach used in this study proved to be computationally efficient and can be extended to other proteins of interest if their crystal structures are available. Consequently, successful of future researches will depend on a together work of computational and experimental methods to explain the molecular rules behind protein adsorption phenomena from different perspectives.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    720397

    İki aşamalı emülsiyon yöntemiyle üretilen peynir altı suyu mikro-parçacıklarının fizikokimyasal özellikleri ve kefirde kullanılması

    Investigation of physicochemical properties of whey protein micro-particles produced using two-step emulsification method and their use in kefir

    ALEV EMİNE İNCE COŞKUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Gıda MühendisliğiEge Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜL ÖZDESTAN OCAK

  2. Tez No

    832216

    Çok duvarlı karbon nanotüp katkılı akrilamid/akrilik asit hibrit hidrojellerin mekanik ve tribolojik davranışlarının incelenmesi

    Experimetal investigation on mechanical and tribological behavior of multi-walled carbon nanotube reinforced acrylamide/acrylic acid hybrid hydrogels

    RABİA ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiHitit Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF KANCA

    DOÇ. DR. BENGİ ÖZKAHRAMAN

  3. Tez No

    798785

    Titanyum dioksit nanopartikülleri ile gıda bileşenlerinin etkileşiminin incelenmesi

    Investigation of the interaction between titanium dioxide nanoparticles and food components

    NURDAN ERSÖZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Gıda MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FAHRİYE CEYDA DUDAK ŞEKER

  4. Tez No

    542371

    Leıshmanıa ınfantum'un farklı antijen kombinasyonlarını içeren poli(laktik-ko-glikolik asit) nanopartiküllerinin sentezi, karakterizasyonu ve visseral leishmaniasis'e karşı aşı adayı olarak etkinliklerinin in vitro ve in vivo incelenmesi

    Synthesis, characterization and in vitro and in vivo investigation of effectiveness as vaccine candidate against visceral leishmaniasis of poly(lactic-co-glycolic acid) nanoparticles containing combination of different antigens of leishmania infantum

    ÖZLEM AYŞE TOSYALI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MELAHAT BAGIROVA

  5. Tez No

    389416

    A novel AAO based sers substrate for characterization for characterization of proteins

    Yüzeyce güçlendirilmiş raman spektroskopisi ile protein karakterizasyonu için AAO şablonlar ile altlik üretimi

    ZEHRA BERİL AKINCI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Biyolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN

Geri Dön