Geri Dön

Design of short peptides targeting the interaction between SARS-CoV-2 and human ACE2

SARS-CoV-2 spike ve insan ACE2 arasındaki etkileşimi hedefleyen kısa peptitlerin tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 783920
  2. Yazar: NUMAN NUSRET USTA
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEFER BADAY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Biyomühendislik, Science and Technology, Bioengineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Hesaplamalı Bilim ve Mühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 65

Özet

2019 yılının sonlarında, Çin'in Wuhan şehrindeki bir deniz ürünleri marketinde satılan canlı ürünlerden kaynaklanarak ortaya çıkan yeni tip koronavirüs kısa bir zaman diliminde tüm dünyada salgına sebep olmuştur. Şiddetli Akut Solunum Yolu Sendromu Koronavirüsü 2 (SARS-CoV-2) olarak tanımlanan bu virus, atası olarak belirtilen SARS-CoV virüsüne göre çok daha bulaşıcı olup konak hücreler ile daha sıkı bağlar oluşturmaktadır. Koronavirüsler zarflı, tek ve pozitif iplikli RNA virüslerdir ve spike, envelope, membrane ve nuclecapsid olmak üzere dört yapısal proteinden oluşmaktadırlar. İnsan hücreleri ile temasta rol aldığı bilinen spike (S) proteini bir glikoprotein olup S1 ve S2 olmak üzere iki alt birimde oluşmaktadır. S1 alt birimi insanlarda bulunan ACE2 reseptörü ile etklileşim yaparak hücrelerin içine girmeyi sağlayan ve RBD olarak tanımlandırılan kısmı içerir. S2 alt birimi ise virüs ve konak hücre membranları arasındaki birleşmeyi sağlar. Pandemi sürecinin başlangıcından beri birçok farklı ilaç geliştirme çalışmaları yapılmış ve, aşı ve antikor bazlı birkaç farklı tedavi edici potansiyeli olan ilaç geliştirilmiş fakat hiçbiri tam anlamıyla salgının önüne geçilmesine ve ölümleri durdurmada etkin olamamıştır. Geleneksel ilaç geliştirme yöntemlerinden farklı olarak engelleyici yapılarıyla da bilinen peptitler, ilaç olarak kullanılma adına gelecek vaad etmektedirler. Peptitlerin diğer ilaçlara göre daha az immünojenik olması, vücuttan kolay atılabilmesi ve küçük yapıları sayesinde dokular ve organlar arasındaki yüksek yayılım kapasitelerine sahip olması onları gelecekteki potansiyel ilaçlar olarak göstermektedir. Bütün bu avantajlar düşünülerek, SARS-CoV-2 karşıtı olabilmesi için halihazırda bilinen antivirüs peptitler kullanılarak farklı çalışmalar yapılmış ve yapılmaktadır. Mevcut çalışmada, SARS-CoV-2'ye karşı peptitlerin kullanılmasını hedeflenilmiştir. Diğer peptit çalışmalarındaki bilinen peptitlerin kullanılmasından farklı olarak, kısa aminoasit zincirli peptitlerin mümkün olabildiğinde çok kombinasyonunu kullanmaya çalışılmıştır. Bunun için ilk aşamada peptit sekans uzunluğu olarak üç farklı uzunluk (5, 6 ve 7) belirlenip bu farklı uzunluklardaki peptitleri oluşturmak için Python yazılım dili üzerinden Biopython kütüphanesi kullanılarak toplamda 500.000 tane peptit üretilmiştir. Bütün peptitler alfa heliks yapısında olacak şekilde dizayn edilmiştir. Peptitler elde edildikten sonra onların spike RBD'ye karşı etkinliği görebilmek için ilk olarak ACE2 ile etkileşim yaptığı bölge baz alınarak moleküler docking yöntemi kullanılmıştır. Spike RBD yapısı ise PDB web sitesi üzerinden 6M0J kimlik numaralı olan asimetrik birimi ile temin edilmiştir. Bu kadar çok sayıdaki peptidin hangi moleküler docking programı ile daha efektif yapılacağını kararlıştarmak için ücretsiz bir yazılım olan AutoDock'un iki ayrı docking programı olan Vina ve ADCP arasında başarım oranlarını gösterebilecek bir karşılaştırma çalışması yapılmıştır. Bu karşılaştırma çalışmasında girdi olarak kullanılmak üzere biyolojik protein – peptit kompleks yapılarını içeren PepBDB veri tabanından yararlanılmıştır. Toplamda 2691 protein – peptit kompleksi iki ayrı program ile yeniden dock edilerek, komplekslerdeki peptitlerin uzunluklarına göre ayrı ayrı kategorize edilerek karşılaştırılmıştır. Bu işlem docking programlarının farklı parametreleri için sırayla tekrar edilmiştir. Çalışma sonucunda ADCP programının Vina'ya göre hem başarım hem de kullanılan zaman açısından daha efektif olduğu gözlenmiş ve koronavirüs çalışmalarında kullanılması için kararlaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma çalışmasının ardından ADCP programı ile bütün peptitler ayrı biçimde spike RBD proteinine dock edilmiştir. Elde edilen docking sonuçları ayrıca makine öğrenmesi ile eğitilmiş olup yüksek docking sonucuna sahip olabilecek 200.000 daha peptit sekansı belirlenmiş ve bunlar için de hedef protein ile docking işlemi uygulanmıştır. Gerçekleştirilen tüm dockingler kcal/mol biriminden yakınlık tahmini sonuçları üzerinden analiz edilip aralarından en iyi 70 tane sonuç veren peptit sekansı belirlenmiştir ve dock edilmiş peptit yapıları moleküler dinamik simülasyon işlemi için spike RBD proteini ile birlikte hazırlanmıştır. Bütün moleküler dinamik simülasyonları Charmm-gui web sitesi üzerinden Charmm- 36 kuvvet alanı parametreleri kullanılarak oluşturulmuştur. Simülasyon sistemlerine TIP3P'ye ait su molekülleri ilave edilmiş ve proteinden 10 Å uzaklığa sahip çözünen atomlar ile dikdörtgen şeklinde bir su kutusu oluşturulmuştur. Simülasyonları çalıştırmak için Nano Ölçek Moleküler Dinamik (NAMD) paketi kullanılmıştır. Mevcut çalışmaların yapıldığı süre zarfında spike RBD proteininin henüz glikolize edilmiş yapısı bulunmamaktaydı. Spike proteini esasen bir glikoprotein olmasından dolayı bu proteinin 6VSB kimlik numaralı glikolize edilmiş yapısı ise sonradan temin edilmiştir. Yeni yapıdaki glukoz molekülünün spike RBD'nin docking ve simülasyonların uygulandığı etkileşim bölgesinin tam ters tarafında olduğu görülmüştür. Bu bilgiler göz önüne alınarak glikolize olmayan spike RBD ile en iyi bağlanma sonucu gösteren peptitler, glikolize yapı ile tekrar moleküler docking ve moleküler dinamik simülasyon aşamlarına tabi tutulmuştur. Glikolize olmayan spike RBD ile peptitlerin simülasyonları iki aşamalı olarak koşturulmuştur. İlk aşamada 70 tane peptit, 100 ns zaman aralığında protein ile birlikte simüle edilmiştir. İşlem tamamlandıktan sonra öncelikle peptitlerin ilk ve son konumlarına, daha sonra zaman içindeki RMSD grafiklerine bakılarak peptidin stabil olduğunun veya stabil olmadığının analizi yapılmıştır. Stabil olan peptitler ikinci aşama olarak 200 ns'lik yeni bir simülasyona tabi tutulmuş ve sonuçlar ilk aşamada olduğu gibi değerlendirilmiştir. 200 ns sonunda stabil olduğu görülen peptitler belirlenmiştir ve glikolize yapıdaki spike RBD ile önce docking yapılıp daha sonra simülasyonları koşturulmuştur. Glikolize ve glikolize olmayan spike RBD ile 200 ns moleküler dinamik simülasyon koşturuldaktan sonra stabil olarak kalabilnen peptilerin her birinin simülasyon sonucu üç şekilde incelenmiştir. Öncelikle peptitin protein etrafındaki ilk ve son konumuna görsel olarak bakılmıştır. Daha sonra peptitin simülasyon süresi boyunca ilk konumundan son konumuna varana kadar olan yer değiştirme hareketleri RMSD - zaman grafiğine dökülmüştür. Ve en son olarak protein ve peptit arasındaki bağlanma enerjisi MM-PBSA analizi ile kcal/mol birimi olarak hesaplanmıştır. Bahsedilen sonuç analizleri VMD üzerinden yapılmış ve grafikler Python programlama dili ile görselleştirilmiştir. Yapılan tüm işlemler sonucunda bir tane peptit sekansı,“wfdwef”, hem glikolize hem de glikolize olmayan spike RBD proteini ile koşturulduğu simülasyonların ikisinde de stabil bağlanma davranışları göstermiştir. Bu peptit sekansının potansiyel bir yapı olup olmadığını görebilmek için glikolize spike RBD ile tekrardan simülasyon işlemine alınmışır ve çıkan sonuç peptidin önceden göstermiş olduğu stabil davranış biçimini yinelemiştir. Sonuç olarak bu çalışma, yeni tip koronavirüse karşı potansiyel tedavi araştırmalarında farklı bir yaklaşım getirmiştir. Sayıca büyük miktardaki peptitlerin her birinin ayrı biçimde moleküler docking yapılması ve MD simülasyonlarda koşturulması hedef virüse karşı geliştirilebilecek etken madde şansını arttırmıştır. Gelecek çalışmalar için, elde edilen peptit sekansının potansiyelini kontrol edebilmek adına laboratuvar ortamında sentezlendikten sonra deneysel çalışmalarda kullanılıp test edilmesi ayrıca gerekmektedir.

Özet (Çeviri)

In the end of 2019, a novel coronavirus called SARS-CoV-2 has appeared in Wuhan, China and caused a pandemic outbreak by overwhelming deadly infections around the work. By comparing to its ancestor, SARS-CoV, it is more infectious and shows much more tight binding with host cells. One of the main units of this coronavirus is spike (S) protein which has two subunits called S1 and S2. Subunit S1 contains receptor binding domain (RBD) that takes role in initiating entry into the cells by interacting with human angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) receptor. And S2 subunit ensures the fusion between host and viral cell membranes in meantime. Different drug development researches were studied and several therapeutics developed during the pandemic time such as antibodies and vaccines. Differing from traditional drug developments methods, peptides as inhibitor are promising drug compound due to their efficiency, lesser immunogenicity, easiness of removal from body and they have higher diffusivity through tissues and organs because of their smallness. Considering these advantages of peptides, several studies have been made with knowing antiviral peptides by different research groups. In present study, what we aimed to develop novel peptides to use against spike RBD. Unlike by using known peptides from the literature, we try to use as much possible as combination of short peptides. First, we created peptides of random sequences, after that we docked them to spike RBD protein by using AutoDock CrankPep (ADCP). For deciding to use the proper docking tool, we have done a comparison work between free docking tools (Vina and ADCP) which are developed by AutoDock Software. After finishing the dockings, top ones with highest binding energy result are selected for the next step which is Molecular Dynamics (MD) simulations. Results of simulations are controlled according to their RMSD trajectory and binding energy. At the end, one sequence,“wfdwef”, stood out as promising over the others. For further, this finding can be used as potential inhibitor for coronavirus after experimental studies

Benzer Tezler

  1. Tez No

    893576

    Prokalsitonine karşı selex yöntemiyle aptamer geliştirilmesi

    Development of aptamers against prokalsitonin by selex method

    ÖMER EMECEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Moleküler TıpOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Moleküler Tıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEZGİN GÜNEŞ

  2. Tez No

    251315

    Construction and expression of a bi-functional peptide by using genetic engineering methods for bio-nanotechnologies

    Biyo-nanoteknoloji için çift işlevli bir peptidin genetik mühendisliği yöntemleri ile oluşturulması ve üretilmesi

    ABDULLAH SERT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CANDAN TAMERLER

    YRD. DOÇ. DR. NEVİN GÜL KARAGÜLER

  3. Tez No

    374367

    Design, synthesis and characterization of bioinspired nanomaterials for engineering and biomedicine

    Biyolojik sistemlerden esinlenerek programlanan nano yapılı malzemelerin mühendislik ve biyomedikal uygulamalar için tasarımı, sentezi ve karakterizasyonu

    HAKAN CEYLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Biyokimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AYŞE BEGÜM TEKİNAY

    DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZGÜR GÜLER

  4. Tez No

    384937

    Design of inorganic peptide bonded fusion biomolecules for tracking disease related proteins

    Hastalıkla ilişkili proteinlerin izlenmesinde anorganik peptit bağlarla füzyon biyomoleküllerin tasarımı

    BERTAN KORAY BALCIOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CANDAN TAMERLER

    DOÇ. DR. BERRİN ERDAĞ

  5. Tez No

    310529

    Constructing peptide (GEPI)-protein molecular hybrids by using genetic engineering methods for materials and medical applications.

    Malzeme ve medikal uygulamalar için gen mühendisliği yoluyla peptid (GEPI)-protein hibritlerin oluşması.

    DENİZ ŞAHİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CANDAN TAMERLER

    PROF. DR. MEHMET SARIKAYA

Geri Dön