Kırmızı kan hücreleri akciğerlerimizden oksijeni alır ve bizi hayatta tutmak için vücudumuzun her yerine taşırlar. Kırmızı kan hücrelerinde bulunan hemoglobin; molekülü, ya sürekli değiştirerek ya da hiçbir şekilde değiştirmeyerek, oksijenin taşınmasını sağlar. Hemoglobindeki aynı proteinin dört kopyası; çiçek yaprakları gibi açılır ve kapanır. Bu şekilde birbirlerine cevap vermek için yapısal olarak bağlanır.
Bilim insanları tam bu noktada süper bilgisayarlar kullanarak; hemoglobin gibi hayat veren molekülleri bir araya getirip, benzer proteinleri tasarlamaya başladılar. Bilim insanları; yöntemlerinin farmasötik hedefleme, yapay enerji toplama, ‘akıllı algılama’ ve inşaat malzemeleri gibi faydalı teknolojilere uygulanabileceğini söylüyor.
Ekip; bu çalışmayı proteinleri aşırı şarj ederek yaptı. Bu; proteinlere yapay olarak yüksek pozitif veya negatif bir yük vermek için proteinlerin alt birimleri, amino asitleri değiştirdikleri anlamına geliyor. Denizanasından elde edilen proteinleri kullanarak, yalnızca üst üste bindirip, oktamerlerden (sekizli olarak düzenlenmiş parçalar) oluşan kompleks bir on altı protein yapısını birleştirebildiler.
Ekip daha sonra bu deneysel sonuçları doğrulamak ve bilgilendirmek için süper bilgisayar simülasyonları kullandı.
Texas Advanced Computing Center‘a (TACC) Stampede2 ve San Diego Süper Bilgisayar Merkezi’ne (SDSC) Comet süper bilgisayarları; Ulusal Bilim Vakfı (NSF) tarafından finanse edilen Aşırı Bilim ve Mühendislik Keşif Ortamı aracılığıyla araştırmacılara tahsis edildi.
UT Austin Ellington Laboratuvarı Araştırmacı Anna Simon: “Normalde birbirleriyle etkileşime girmeyen proteinleri alarak, çok pozitif veya çok negatif yüklü kopyalar alabileceğimizi tespit ettik. Yüksek derecede pozitif ve negatif yüklü kopyaları birleştirerek, proteinleri çok özel yapılandırılmış düzeneklerde birleştirebiliriz.”
Bilim insanları, bu çalışmayı “süper yüklü protein montaj stratejisi” olarak adlandırılıyorlar. Burada tasarlanmış süper yüklü değişkenleri birleştirerek tanımlanmış, protein etkileşimlerini sürdürüyorlar.
Michigan Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü Yardımcı Araştırma Bilimcisi Jens Glaser: “Doğadan, çok iyi bilinen ve temel bir ilkeden faydalandık: Zıt kuvvetlerin çekmesi… Anna Simon’ın grubu, bu yüklü yeşil floresan protein varyantlarını karıştırdıklarında çok düzenli yapılar elde ettiklerini keşfetti. Bu gerçekten büyük bir sürpriz.”
Yığılmış oktamer yapısı; örgülü bir halka gibi görünüyor. 16 proteinden oluşan; çok özel, gizli yamalarla etkileşime giren iç içe geçmiş sekiz halka…
Simon: “Sentetik olarak etkileşime giren proteinleri imal etmenin bu kadar zor olmasının nedeni, bu etkileşimli yamaları ve proteinlerin daha büyük, düzenli yapılar halinde toplanmalarına izin verecek şekilde dizilişi oluşturmalarının gerçekten çok zor olmasıdır. Aequorea victoria denizanasından elde edilen iyi çalışılmış bir ‘laboratuvar faresi’ proteini olan yeşil floresan protein (GFP) varyantlarını yapılandırmak için, birçok pozitif ve negatif yük ekleyerek problemi çözdüler.”
Serum floresan proteini (Ceru) +32 olarak adlandırdıkları pozitif yüklü protein; negatif yüklü protein GFP -17 ile etkileşime girmek için ek fırsatlara sahipti.
Simon: “Bu proteinlere potansiyel olarak etkileşime girebilecekleri tüm bu fırsatları ve bu farklı yerleri sağlayarak, doğru olanları seçebildiler. Orada, mevcut ve enerjik olarak tercih edilen bazı kalıplar ve etkileşimler vardı. Önceden kesin olarak onların bu belirli şekillerde bir araya gelmelerini öngöremezdik.”
Mühendislik yüklü floresan proteinleri almak için; Simon ve ortak yazarlar Arti Pothukuchy, Jimmy Gollihar ve Barrett Morrow; E. coli’de plazmitler denilen taşınabilir DNA parçalarında; saflaştırma için kullanılan kimyasal bir etiket de dahil olmak üzere, genlerini kodladılar. Daha sonra etiketli proteini topladılar, bu şekilde E. coli büyüdü.
Araştırmacılar; proteinleri bir araya getirdi. Başlangıçta proteinlerin büyük, düzensiz yapılı öbekler oluşturmak için etkileşime girebileceğini düşünüyorlardı. Ancak Simon’a göre gözlemledikleri; 12 nanometrelik tuhaf, komik bir zirveydi, bu büyük bir protein kümesinden çok daha küçüktü, ama tek bir proteinden çok daha büyüktü…
UT Austin’in Teksas Malzeme Enstitüsü’nde bir Zetasizer Cihazı (potansiyel tayin cihazı) kullanılarak oluşturulan parçacıkların boyutunu ölçtüler. Böylece parçacıkların, farklı renkli floresan arasındaki enerji transferini ölçen hem cerulean (mavi floresan proteini) hem de GFP proteinlerinin Förster Rezonans Enerji Transferi (FRET) içerdiğini doğruladılar. Proteinler; birbirlerine yakın olup olmadıklarını görmek için farklı ışık enerjilerine cevap olarak, floresans üretir. Negatif leke elektron mikroskopisiyle, UT Austin Moleküler Biyoloji Bilimleri Profesörü David Taylor’ın ekibi tarafından yürütülen, parçacıkların spesifik yapısını tanımlandı. 12 nm partikülünün on altı proteinden oluşan ,istiflenmiş bir oktamerden oluştuğu gösterildi.
Simon: “Bunların güzel şekilli çiçek benzeri yapılar olduklarını gördük.”
UT Austin Ekibinden Bilim İnsanı Yi Zhou; istiflenmiş oktamerin atom seviyesindeki ayrıntılarını ortaya çıkarmak için kriyo-elektron mikroskobu kullanarak, çözünürlüğü daha da arttırdıklarını söylüyor.
Bilim İnsanı Jens Glaser‘e göre, hesaplamalı modellemeyle; proteinlerin nasıl güzel çiçek tarzı biryapının oluştuğu, net görselin ölçümleri geliştirildi.
Glaser: “Yüklenmiş yeşil floresan proteinlerinin fiziğini tanımlayacak kadar karmaşık bir model bulmalıydık. Tüm ilgili atomik ayrıntıları sunmamıza rağmen, bunu gerçekçi bir zaman çizelgesinde simüle etmemize izin verecek kadar verimliydi. Model, bilgisayardan tek bir simülasyon elde etmek için, bir yıldan fazla zaman alabilirdi, ancak bilgisayar hızlıydı.”
Proteinler arasındaki etkileşimin önemli ayrıntılarından ödün vermeden, çözünürlüğü azaltarak, modeli basitleştirdiler.
Glaser: “Protein şeklinin, proteinin kristalografik yapısından ölçülenler gibi; tam olarak moleküler bir yüzeyle temsil edildiği bir model kullandık.”
Michigan Üniversitesi Kimya Mühendisliği Yüksek lisans Öğrencisi Vyas Ramasubramani: “Bunu tersine çevirmeyi ve simülasyonlardan kurtulmayı sağlayan şey; cryo-EM verileriydi. Bu; simülasyonlara koymak için en uygun konfigürasyonu bulmamıza gerçekten yardımcı oldu. Böylece daha sonraki sabit verileri doğrulamamıza da yardımcı oldu. Umarım bu yapıyı dengeleyebileceğimiz veya değiştirebileceğimiz yollar hakkında tahminlerde bulunmaya devam ederiz.”
Bilim insanları, istedikleri ölçekte hesaplamaları yapabilmek için çok fazla hesaplama gücüne ihtiyaç duydular.
Ramasubramani: “XSEDE*‘yi temelde birbirleriyle etkileşime giren çok sayıda farklı parça olan bu devasa sistemleri almak için kullandık. Örneğin tüm bunları bir seferde hesapladığınızı düşünün. Böylece sisteminizi belli bir zaman diliminde ileriye götürmeye başladığınızda, bir fikir edinebilirsiniz. Gerçek zaman ölçeğinde nasıl bir gelişme göstereceğini gözlemleyebilirisiniz. Bir dizüstü bilgisayarda; yaptığımız aynı tür simülasyonu yapmaya çalıştıysanız, bir tür yapının istikrarlı olup olmayacağını gerçekten anlamaya yaklaşmak bile aylar alırdı. Bizim için, XSEDE’yi kullanamamak; temelde 48 çekirdeği, 48 hesaplama birimini aynı anda kullanabildiğiniz yerlerde, bu hesaplamaları oldukça paralel hale getirmek için, bunu daha yavaş yapmak demek. ”
TACC’deki Stampede2 süper bilgisayarı; 4.200 Intel Knights Landing ve 1.736 Intel Skylake X bilgi işlem düğümünü içeriyor. Her Skylake düğümü, bir bilgisayar işlemcisinin temel birimi olan 48 çekirdeğe sahiptir.
Glaser: “Stampede2 süper bilgisayarının Skylake düğümleri; karşıt yüklü proteinler arasında etkili bir şekilde hareket eden, bu elektrostatik etkileşimleri hesaplamak için gerekli performansı elde etmeyi sağladı. Stampede2 süper bilgisayarının kullanılabilirliği, bu simülasyonları yapmamız için tam zamanında ve doğru bir noktadaydı.”
Başlangıçta, bilim ekibi simülasyonlarını SDSC’deki Comet sistemiyle test etti.
Ramasubramani: “İlk olarak ne tür bir model kullanacağımızı ve bu basitleştirilmiş modelin bize makul sonuçlar verip vermeyeceğini öğrendiğimizde, Comet bu simülasyonları denemek için harika bir yerdi. Comet, yaptığımız şey için harika bir sınavdı.”
Daha büyük bilimsel tabloya baktığımızda, bilim insanları bu çalışmanın doğadaki bu kadar çok proteinin neden oligomerize** olacağı ya da daha karmaşık ve ilginç yapılar oluşturmak için bir araya geleceği konusundaki anlayışı ilerlettiğini umuyor.
Simon: “Bu yapıların oluşması için çok spesifik, ayırt edici bir dizi plan ve etkileşim olması gerekmediğini gösterdik. Bu önemlidir. Çünkü; büyük olasılıkla pozitif yüklü ve negatif yüklü değişkenler üretmek, bunları birleştirmek ve bunlar için özel olarak sipariş edilen yapılar oluşturmak için diğer moleküller kümesini alabiliriz.
Kemik, tüy ve kabukları gibi doğal biyomalzemeler sert; ancak hafif olabilir. Süper şarjlı protein düzeneğinin, çok fazla zaman harcamak zorunda kalmadan veya önceden nasıl bir araya gelip gelemeyeceğini tam olarak kestirmeyi gerektirmeden, heyecan verici sentetik özelliklere sahip türlerin geliştirilmesinin daha kolay bir yol olduğunu düşünüyoruz. Ayrıca bunun, sentetik materyalleri tasarlanması ve bu nanoyapılı protein materyallerinin keşfedilmesi için yeteneği hızlandıracağını düşünüyoruz.”
*XSEDE: Bilim insanlarının bilgisayar kaynaklarını, verilerini ve uzmanlıklarını etkileşimli olarak paylaşmak için kullanabilecekleri tek bir sanal sistemdir.
**Oligomer: Kimyada bir oligomer sınırsız sayıda, en azından ilke olarak, monomer birimi içeren bir polimer ile zıt bir şekilde sınırlı sayıda monomer içermektedir. Birçok yağ parafin yağı gibi oligomeriktir ve aynı zamanda plastikleştiriciler alanında kullanım imkânı bulabilirler.
