Motor Proteinleri - Vücudumuzdaki Gelişmiş ve Komplike Nanomotorlar

​

“Makina Fakültesi öğretim üyesi Doç. Dr. Mert Gür, motor proteinleri olarak bilinen, yakıt (ATP molekülü) tüketerek mekanik iş üreten ve böylelikle hücre içinde kargo taşıyan nano ölçekli biyolojik motorları araştırmaktadır. Doç. Dr. Mert Gür, motor proteinlerin çalışma mekanizmalarını atom seviyesinde çözerek bu motorların hücresel rollerini nasıl yerine getirdikleri hakkında önemli bilgiler sağlamayı ve bu motorların nanoteknoloji uygulamalarında kullanılması için yeni yollar açmayı hedeflemektedir."

Hücrelerimizdeki tüm önemli noktalar, mikrotübül adı verilen küçük yollar aracılığıyla birbirine bağlıdır. Nasıl ki günlük hayatta karşılaştığımız kamyonlar kargolarını otoyollar üzerinde taşıyıp günlük hayatın aksamadan devam etmesini sağlıyorlarsa, motor proteinleri olarak adlandırılan biyolojik nanomotorlar da kargolarını mikrotübüller üzerinde taşıyarak hücrelerin düzgün şekilde çalışmasını sağlamaktırlar. Otoyollarda olduğu gibi mikrotübüller üzerinde de kargo taşımacılığı, mikrotübüllerin eksi ve artı uçlarına doğru olmak üzere, iki yönde gerçekleşmektedir. Kinesin mikrotübüllerin artı ucuna doğru kargo taşınımı geçekleştirirken, sitoplazmik dineinler mikrotübüllerin eksi ucuna doğru olan kargo taşınımın çoğunu gerçekleştirmektedirler. Dinein motor proteinin işlevinde yaşanan kayıplar; ALS, Alzheimer hastalığı, lizensefali ve şizofreni dahil olmak üzere çok sayıda nörodejeneratif hastalık ve bozuklukla ilişkilendirilmiştir.

Dinein motor proteinleri, araç motorlarına benzer şekilde çalışan nano ölçekli hücresel motorlardır. Dineinler, yakıt (ATP molekülü) içerisindeki kimyasal enerjiyi kimyasal bir reaksiyon (ATP hidrolizi) yoluyla ortaya çıkarmakta, ortaya çıkan bu enerjiyi mekanik bir bileşeninin (kuvvet kolu) hareketi olarak mekanik enerjiye dönüştürmekte ve böylelikle kuvvet ve hareket sağlamaktadırlar. Dineinin mekanik bileşeni olan kuvvet kolu, araç motorlarındaki pistonun hareketine ve güç üretimine benzer şekilde iki konum arasında ileri geri hareket ederek güç üretmektedir. Dinein tarafından üretilen mekanik enerji hücre içerisinde kargo taşımak, hücreyi mitoz için hazırlamak veya silleri (cilia) hareket ettirmek için kullanılmaktadır. Araç motorlarında olduğu gibi dineinler de termodinamik çevrimlerle çalışmaktadırlar; bir termodinamik halden çevrime başlarlar, işlevlerini yerine getirirler ve çevrimlerini tekrarlayabilmek için başlangıç haline geri dönerler. Bir araç sürücüsünün araç motorunun dakika başına devir sayısını (başka bir deyişle dakikadaki termodinamik çevrim sayısını) gaz pedalına basarak kontrol edebildiği gibi dineinlerin birim zamanda gerçekleştirdikleri termodinamik çevrim sayısı da hücre tarafından ATP konsantrasyonu, mikrotübül ilişkili proteinler ve düzenleyici moleküller gibi çeşitli harici parametreler aracılığıyla kontrol edilebilmektedir. Mevcut sentetik nanomotorlar arasında kimyasal enerjiyi dineinde olduğu gibi bir mekanik bileşeninin hareketine dönüştürebilen motorlar bulunmadığından nanoteknolojinin geleceğinde dineinlerin kritik bir rol oynaması beklenmektedir.

Doç. Dr. Mert Gür, dinein motor proteinin termodinamik çevriminin modellenmesi konusunda UC Berkeley (ABD) ve Medical Research Council (Birleşik Krallık) ile işbirliği içerisinde gerçekleşen 1 TÜBİTAK projesinin, 2 Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) projesinin ve 1 tane de İTÜ BAP projesinin yürütücülüğünü gerçekleştirmiştir veya gerçekleştirmektedir. Dinein konusunda UC Berkeley ve Medical Research Council ilk ortak çalışması 2019'da Nature dergisinde yayınlanmıştır. Söz konusu çalışmada dineinin, mikrotübülün eksi yönüne hareketi sağlayan mekanizmasını ortaya çıkarılmış ve protein mühendisliği uygulanarak mikrotübülün artı ucuna doğru yürüyebilen dinein tabanlı nanomotorlar geliştirilmiştir.

Doç. Dr. Mert Gür, dineinlerin tam olarak nasıl çalıştığını anlamak için moleküler dinamik simülasyonlarını kullanmaktadır. Deneyler, protein fonksiyonlarıyla ilgili kritik bilgiler sağlayabilse de protein dinamiğini atomik çözünürlükte gerçek zamanlı olarak ortaya koyamazlar ve görselleştiremezler. Örneğin elektron mikroskobu, proteini termodinamik çevrimi boyunca bir halinde sabitleyerek proteinlerin atomik çözünürlükteki yapısına yakın bir yapı sağlayabilmektedir. Çevrim boyunca birden fazla yapı elde edilebilse dahi, termodinamik çevrimin mekanizmasını atomik ölçekte tüm detaylarıyla ortaya koymak için yapısal bilgileri birbirleriyle ilişkilendirmek zordur. Bu durum, bisiklet üzerinde bir kişinin çeşitli yerlerde fotoğrafını çekmeye benzemektedir. Farklı yerlerde çekilmiş fotoğraflara dayanarak bisikletin bir yerden diğerine zıplayarak veya kayarak gitmiş olabileceği iddia edilebilir ancak gerçekte, bisiklet üzerindeki kişinin bir mekanizma vasıtasıyla bacaklarını hareket ettirmek suretiyle tekerlekler çevrilmekte ve böylelikle bisiklet bir noktadan diğer noktaya gitmektedir. Doç. Dr. Mert Gür ve araştırma grubu, birlikte çalıştığı deneysel gruplarla birlikte protein fonksiyonlarının gerçek zamanlı atomistik ayrıntılarını keşfetmek için moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştirmektedir.

Sitoplazmik dinein, kuvvet kollarıyla kuyruk bölgesi üzerinden birbirine bağlı iki özdeş dinein ağır zincirinden (DHC'ler) ve buna ek olarak küçük ilişkili polipeptitlerden oluşmaktadır. Dineinler, bir DHC'nin bir mikrotübüle tutunurken diğer DHC’nin adım attığı bir yürüme mekanizması ile mikrotübüller boyunca hareket etmektedir. Mikrotübüle bağlı olan DHC, termodinamik çevrim gerçekleştirmektedir ve kargosunu çekmek için gereken mekanik işi gerçekleştirmektedir; buna dinein güç stroku denir. Güç strokundan sonra, DHC termodinamik çevrimini tamamlamak için (hazırlama stroku) mikrotübülden ayrılmakta ve mikrotübül üzerinde taşıma yönüne doğru ilerlemektedir.

Doç. Dr. Mert Gür ve ortaklaşa çalıştığı bilim insanları, hazırlama strokunun mekanizmasını ve enerji yönünden özelliklerini simülasyonlarla modelleyerek detaylarıyla ortaya koymuşlardır. Ayrıca, dineinin tübülin üzerindeki belirli amino asitlerle nasıl etkileştiğini ve mikrotübüllere kararlı bir şekilde nasıl bağlandığını modellemişlerdir. Doç. Dr. Mert Gür ve ortaklaşa çalıştığı bilim insanları, dinein ve kinesin motor proteinlerinin mikrotübüle bağlanmasının mikrotübül ile ilişkili proteinler (MAP'ler) ile nasıl regüle edildiğini incelediler. Doç. Dr. Mert Gür’ün UC Berkeley, Washington Üniversitesi, Howard Hughes Tıp Enstitüsü ve TU Delft ile işbirliği içinde gerçekleştirdiği, kinesin motor proteininin MAP7 tarafından regülasyon mekanizmasını gösteren son çalışması Science dergisinde yayınlanmak üzere kabul edilmiştir.

Su içerisinde çözülmüş dinein motor protein sistemi, boyut olarak en az bir milyon atomdur ve mikrotübül ve ilgili proteinler dahil edildiğinde sistem birkaç milyon atom büyüklüğüne kadar çıkmaktadır. Bu sistem büyüklükleri, literatürde gerçekleştirilen çoğu moleküler dinamik simülasyonlarındaki sistem büyüklüklerine göre en az 10-100 kat daha büyüktür. Dolayısıyla dünyada sadece sayılı araştırma grubu bu proteinler üzerinde çalışmak için gerekli olan dev simülasyon kaynaklarına sahiptir. Doç. Dr. Mert Gür’e söz konusu dev simülasyon kaynakları 2020 yılından bu yana PRACE tarafından sağlanmaktadır. Doç. Dr. Mert Gür ve araştırma grubunun gerçekleştirdiği dinein simülasyonları, dünyada gerçekleştirilen ilk dinein simülasyonları arasındadır. Dineinlerin mekanokimyasal çevrimleri daha önce atomik çözünürlükte simüle edilmemiş olduğundan dolayı bu konuda gerçekleştirdiği simülasyonlar literatüre son derece kritik katkı sağlamıştır.

Şekil 1. Dinein yapısı ve mekanokimyasal çevirimi. A) Dinein, mikrotübül boyunca adımlar atarak kargo çekmektedir. B) DHC yapısı. C) DHC'nin mekanokimyasal çevrimi. Kuvvet kolu, ATP'ye bağlı yapısal değişikliklere uğramakta ve mikrotübüle bağlanma/kopma döngüsüyle senkronize biçimde kuvvet ve hareket üretmektedir.

Video 1. Protein mühendisliği uygulayarak mikrotübülün artı ucuna doğru yürüyebilen dinein tabanlı nanomotorlar.

İlgili Makaleler:

​​
1. Can, S., Lacey, S., Gur, M., Carter, A. P., Yildiz, A. (2019). Directionality of dynein is controlled by the angle and length of its stalk. Nature, 566(7744), 407.

2. Ferro, L., Eshun-Wilson, L., Golcuk, M., Fernandes, J., Huijben, T., Gerber, E., Jack, A., Costa, K., Gur, M., Fang, Q., Nogales, E. and Yildiz, A. (2020). The mechanism of motor inhibition by microtubule-associated proteins. bioRxiv. (Preprint). 

3. Ferro, L.S, Fang Q., Eshun-Wilson, L., Fernandes, J., Jack, A., Farrell, D.P., Golcuk, M., Huijben, T., Costa, K., Gur, M., DiMaio, F., Nogales, E., Yildiz, A. (2022). The mechanism of biphasic regulation of kinesin-1 by MAP7. Science. (Accepted)

Çalışmayı Destekleyen Kurumlar: 

Tubitak (3501, Grant No: 215Z398; 2247,121C283; 2501, 122N045), PRACE (Grant No: 2019215144, 2021250119), ITU BAP (Grant No: MGA-2021-42803), and PRACE DECI-17 (Grant No:17DECI0080)

Ortak Çalışılan Bilim İnsanları:

Prof. Ahmet Yıldız (University of California, Berkeley, ABD), Prof. Eva Nogales (University of California, Berkeley, ABD), Dr. Andrew P. Carter (MRC Laboratory, UK), ve Dr. Simon Bullock (MRC Laboratory, UK)

Çalışmaya Dahil Laboratuvar Üyeleri:

Mert Gölcük, Sema Zeynep Yılmaz, Reyhan Metin Akkaya, Clara Xazal Buran, Derman Baştürk, Cihan Uğur Otçu, Ayla Eren, Ebru Tuncay