Yönlendirilmiş moleküler dinamik simülasyonlarla protein malzemelerin mekaniğinin ayrıntılı analizi
Detailed analysis of the mechanics of protein materials using steered molecular dynamics simulations
- Tez No: 976875
- Danışmanlar: PROF. DR. ÇETİN TAŞSEVEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyofizik, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Biophysics, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Mekanik özellikler, Moleküler dinamik, İpek fibroini, Mechanical properties, Molecular dynamic, Silk fibroin
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bombyx mori (B. mori) ipek fibroini (İF), bünyesindeki β-tabaka kristal yapısı sayesinde olağanüstü mekanik özelliklere sahiptir. Bu yüksek mukavemet ve dayanıklılık, ipek bazlı malzemeleri biyomedikal ve mühendislik uygulamaları için cazip kılar. Ancak, ipek fibroininin kristal yapısındaki moleküller arası paketlenmenin karmaşıklığı ve suyun mekanik davranış üzerindeki etkisi tam olarak bilinmemektedir. Bu tez, ipekten esinlenilmiş $\beta$-tabaka kristalitlerinin mekanik davranışlarını ve su ortamının etkilerini yönlendirilmiş moleküler dinamik (sMD) simülasyonlarıyla atomik düzeyde araştırmaktadır. Çalışmada, deneysel Silk II kristal verilerine dayanarak iki farklı antipolar antiparalel kristalit modeli (Model 1 ve Model 2) oluşturulmuştur. Bu modeller, kristalit birimlerinin moleküller arası paketlenme düzenlerindeki heterojenliği yansıtır. Kristalitlerin dengelenmesinin ardından, hem vakum hem de sulu ortam koşullarında mekanik çekme simülasyonları yapılmış, altı farklı zincirin mekanik mukavemeti ve kopma mekanizmaları incelenmiştir. Bulgular, heterojen moleküler paketlenmenin konuma bağlı bir mekanik mukavemet sağladığını göstermiştir. Su ortamı, yüzey ve köşe zincirlerini zayıflatırken, orta zincirlerde mukavemeti ya etkilememekte ya da hafifçe artırmaktadır; bunun nedeni terminal kalıntılar ile bitişik zincirler arasında hidrojen bağı köprülerinin oluşmasıdır. Ayrıca, suyun kayma-yapışma hareketini yumuşattığı ve zincirlerin ayrışmasını hızlandırdığı gözlemlenmiştir. Bu tez, ipek fibroinindeki yapı-mekanik ilişkisine dair atomistik düzeyde önemli bilgiler sunar. Bulgular, ipek bazlı malzemelerin mekanik özelliklerinin hassas bir şekilde ayarlanmasında moleküler paketlenme heterojenliği ve suyun kritik rolünü vurgular ve gelecekte özelleştirilmiş biyomalzemelerin tasarımına temel oluşturur.
Özet (Çeviri)
Bombyx mori (B. mori) silk fibroin (SF) exhibits remarkable mechanical properties, primarily due to its inherent β-sheet crystalline structure. This high strength and durability make silk-based materials appealing for biomedical and engineering applications. However, the complexity of intermolecular packing within the silk fibroin crystal structure and the influence of water on its mechanical behavior are not yet fully understood. This thesis investigates the mechanical behavior of silk-inspired $\beta$-sheet crystallites and the effects of an aqueous environment at an atomic level, using steered molecular dynamics (sMD) simulations. In this study, two distinct antipolar anti-parallel crystallite models (Model 1 and Model 2) were created based on experimental Silk II crystal data. These models reflect the heterogeneity in the intermolecular packing arrangements of the crystallite units. Following the equilibration of the constructed crystallite structures, mechanical tensile simulations were performed under both vacuum and aqueous conditions, and the mechanical strength and fracture mechanisms of six different strands were examined. The findings show that heterogeneous molecular packing leads to location-dependent mechanical strength. The aqueous environment weakens the surface and corner strands while either not affecting or slightly increasing the strength of the middle strands. This is due to the formation of hydrogen-bond bridges between the terminal residues and adjacent strands. Furthermore, it was observed that water softens the stick-slip motion and accelerates the dissociation of the strands. This thesis provides important atomistic insights into the structure-mechanics relationship in silk fibroin. The findings highlight the critical role of molecular packing heterogeneity and water in precisely tuning the mechanical properties of silk-based materials. This serves as a foundation for the future design and development of customized biomaterials.
Benzer Tezler
- Bacterial uptake mechanism of peptides investigated by steered molecular dynamics simulations
Peptitlerin bakteri hücresine alınım mekanizmasının yönlendirilmiş moleküler dinamik simülasyonlar ile incelenmesi
İHSAN ÖMÜR AKDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
BiyoteknolojiBoğaziçi ÜniversitesiHesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. ELİF ÖZKIRIMLI ÖLMEZ
- Single-molecule force experiments of motor proteins via molecular dynamics simulations
Motor proteinlerinin bilgisayar ortamındaki çekme deneylerinin moleküler dinamik simülasyonlarıyla gerçekleştirilmesi
MOHAMMADAMIN SALEHI TABRIZI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT GÜR
- Moleküler dinamik simülasyonları kullanılarak lösin taşıyıcı proteinlerin ve dinein motor proteinlerin termodinamik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of thermodynamic properties of leucine transporters and dynein motor proteins using molecular dynamics simulations
SEMA ZEYNEP YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT GÜR
- Modeling dynein dynamics and its interactions with microtubules and microtubule-associated proteins using molecular dynamics simulations
Moleküler dinamik simülasyonları kullanarak dinein dinamiğinin ve mikrotübüller ve mikrotübül ilişkili proteinlerle etkileşimlerinin modellenmesi
MERT GÖLCÜK
Doktora
İngilizce
2024
Biyofizikİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. MERT GÜR
- Exploring the conformational transition between closed and open states of the sars-CoV-2 spike glycoprotein using molecular dynamics simulations
Sars-CoV-2 spike glikoproteininin kapalı ve açık halleri arasındaki konformasyonel geçişin moleküler dinamik simülasyonları kullanılarak araştırılması
CEREN KILINÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DR. ÖĞR. ÜYESİ MERT GÜR