Nanokorlar - Nanokorların İşlevsel Mekanizması ve Tasarımı


“Makina Fakültesi öğretim üyesi Doç. Dr. Mert Gür, moleküler dinamik simülasyonları kullanarak, tek bölgeye sahip antikorlar olan nanokorların SARS-CoV-2 varyantlarına karşı etkinliğini incelemekte, etkinliklerin nasıl artırılabileceğini belirlemekte, varyantlara özgü nanokorlar tasarlamakta ve bilgisayar ortamında bunları test etmektedir."

Nanokorlar, tek bölgeye sahip antikorlar olup geleneksel antikorlara göre 10 kat küçüktürler. Nanokorlar; kendilerinden daha büyük olan antikorlar kadar kuvvetli şekilde ilaç hedefine bağlanabilmekte, küçük boyutlarından dolayı hücreye kolay girebilmekte ve antikorlara nazaran daha düşük maliyetlerle yüksek hızlarda ve seri şekilde üretilebilmektedir. Ayrıca bu proteinler, antikor molekülleri gibi kararlı yapıdadırlar. Dolayısıyla nanokorların hastalık tanı ve tedavi uygulamalarında kullanılmasının tıp ve sağlık alanlarının geleceğinde önemli bir yer teşkil etmesi beklenmektedir.

İlk nanokor tipi ilaç olan Caplacizumab, henüz çok yakın zamanda (2019 senesinde) Amerikan Gıda ve İlaç İdaresi tarafından onaylanmıştır. Önümüzdeki yıllarda nanokor tipi ilaçların ve tanı kitlerinin geliştirilmesinde ve kullanımında büyüme öngörülmektedir. Son çalışmalar, nanokorların SARS-CoV-2 spike glikoproteinine (S proteini) bağlanarak virüsün hücreyi enfekte etmesini engelleyebileceğini göstermiştir. SARS-CoV-2’nin hücreyi enfekte etmesini engelleyebilecek bir ilacın henüz geliştirilmemiş olması sebebiyle nanokorların bu başarısı, tıp alanında büyük yankı yaratmıştır.

Nanokorlar, bağlandıkları hedefe yapısal ve kimyasal tamamlayıcılığı belirleyen bölgeleri (Kısaltması CDR) nedeniyle özgün yapılara sahiptir. CDR dışındaki yapılar, nanokor ailesinde yapı ve sekans açısından benzerdir. CDR bölgelerinin ikincil yapıya sahip olmayan döngüler (İngilizcesi loop) olması ve nanokorun değişmeyen temel yapısını oluşturan korunmuş bölgeyle etkileşmemesi sebebiyle, CDR’lerde gerçekleştirilen mutasyonların nanokorun yapısal kararlılığına etki etmemesi beklenmektedir. Dolayısıyla nanokorların CDR bölgeleri üzerinde değişiklik yapılarak hedefe yönelik yeni ilaç tasarlanabilmektedir. Özellikle SARS-CoV-2 gibi ilaç hedefi proteinlerin sürekli mutasyona uğradığı hastalıklarla mücadelede, CDR bölgeleri modifiye edilerek tasarlanmış nanokor kullanımını içeren tedavi stratejileri hastalık ve salgınlara karşı avantaj sağlayıp atik bir mücadele imkânı sağlayabilecektir.

Zaman içinde yeni varyantların ortaya çıkması ve aşılara karşı direnç göstermeleri sebebiyle COVID-19 vakaları, aşılanma oranlarının yüksekliğine rağmen tüm dünyada artış göstermektedir. Geliştirilen aşılardan hem Moderna hem de Pfizer aşıları SARS-CoV-2’nin S proteinlerini hedef alan antikorları insan vücuduna ürettirmektedirler. Dolayısıyla aşı etkinliklerinin düşmesi, antikorların varyantına ait S proteinlerindeki mutasyonlar sebebiyle bağlanma etkinliğinin ciddi seviyede azaldığının göstergesidir. Doç. Dr. Mert Gür ve çalışma arkadaşları, mevcut nanokorların Delta varyantına karşı etkinliklerini moleküler dinamik simülasyonları ile test etmeye başlamış ve şu ana kadar test edilen tüm nanokorların, Delta varyantına ait spike proteinine bağlanma etkinliğinde ve ACE2 ile spike proteininin etkileşimini engelleme kabiliyetlerinde bir azalma meydana geldiğini görmüşlerdir. Pandeminin doğal seyri gereği yeni varyantlar ortaya çıkacaktır ve bunlar, nanokor ve antikor bağlanma etkinliğini kritik derecede düşük seviyelere indirme tehlikesi yaratacaktır.  Dolayısıyla SARS-CoV-2 Delta varyantına ve ortaya çıkabilecek yeni varyantlara uygun olarak tasarlanmış etkin ilaçlara ihtiyaç vardır. Doç. Dr. Mert Gür ve çalışma arkadaşları, SARS-CoV-2’ye karşı etkin olduğu bilinen nanokorların SARS-CoV-2 varyantına karşı etkinliğini moleküler dinamik simülasyonları ile bilgisayar ortamında test etmektedir. Buna ek olarak, protein mühendisliği uygulanarak Delta ve Omicron varyantlarına etkin bağlanan özgün nanokorlar tasarlanmakta ve bu nanokorlar moleküler dinamik simülasyonları ile test edilmektedir.

Doç. Dr. Mert Gür, nanokorların SARS-CoV-2’ye ve varyantlarına ait spike proteininin ACE2 ile etkileşimini engelleme etkinliği ve SARS-CoV-2 varyantlarına özgü yeni nanokorların tasarlanması konularında UC Berkeley (ABD) ile işbirliği içerisinde gerçekleşen iki adet COVID-19 High Performance Computing Consortium (ABD) projesinin eş yürütücülüğünü gerçekleştirmiştir veya gerçekleştirmektedir.

Doç. Dr. Mert Gür ve çalışma arkadaşları, nanokorların SARS-CoV-2’ye ve Alfa, Beta ve Delta varyantlarına ait spike proteinlerine bağlanma ve inhibisyon mekanizmalarını fizyolojik şartlar altında gerçek zamanlı olarak moleküler dinamik simülasyonlarıyla literatürde ilk defa modellemiştir. SARS-CoV-2 Alfa, Beta ve Delta varyantlarının; nanokorların bağlanma ve inhibisyon etkinliklerine etkisi incelenerek bu varyantllara karşı etkin ilaçlar olarak kullanımlarına yönelik kritik tasarım parametreleri ortaya konulmuştur. Doç. Dr. Mert Gür ve araştırma grubu protein mühendisliği uygulayarak SARS-CoV-2 Delta ve Omicron varyantlarına yönelik yenilikçi nanokor tipi ilaçlar tasarlamakta ve bu tasarımları bilgisayar ortamında test etmektedir.

Spike proteini, ACE2 ve nanokorların bir arada simüle edildiği sistemlerin büyüklüğü literatürde gerçekleştirilen çoğu moleküler dinamik simülasyonlarındaki sistem büyüklüklerine göre yaklaşık 4 kat büyüktür. Çok yüksek sayıda nanokor test edilmesi gerektiği ve buna ek olarak varyant sayısının sürekli arttığı göz önüne alındığında dünyada sadece sınırlı sayıda araştırma grubu söz konusu çalışmaları gerçekleştirmek için gerekli olan dev simülasyon kaynaklarına sahiptir. Doç. Dr. Mert Gür’e söz konusu dev simülasyon kaynakları 2020 yılından bu yana COVID-19 High Performance Computing Consortium (ABD) tarafından sağlanmaktadır.

 
nanokorrr

Şekil 1. Viral membran üzerindeki S protein RBD'si ile kompleks halinde bulunan nanokorlar. Atomik modeller, tam uzunluktaki S protein modeli ve ACE2 (PDB 6M0J) ile kompleks halindeki RBD'nin yapısı kullanılarak oluşturulmuştur. Gösterilen S protein trimeri, aşağı konumdaki (gri ve mor) RBD'ye sahip iki protomerden ve yukarı konumdaki (yeşil) RBD'ye sahip bir protomerden oluşur. RBD'nin H11-H4, H11-D4 ve Ty1 (sırasıyla PDB 6ZBP, 6YZ5 ve 6ZXN) nanokorlarıyla kompleks halindeki yapıları kutular içerisinde belirtilmiştir.
 

Video 1. ACE2 ve H11-H4 kenetlenmesi üzerinde etkili olan elektrostatik itme ve SARS-CoV-2 yabanıl tip,  Alfa ve Beta varyantları için ACE2 etkileşimleri.

İlgili Makaleler:


1. Golcuk M., Hacisuleyman, A., Yilmaz, S. Z., Taka, E. Yildiz A., Gur. M. (2021). SARS-Cov-2 Delta Variant Decreases Nanobody Binding and ACE2 Blocking Effectivity. ChemRxiv. (Preprint)

2. Golcuk, M.,  Hacisuleyman, A.,  Erman, B., Yildiz, A., Gur M. (2021). Binding mechanism of neutralizing Nanobodies targeting SARS-CoV-2 Spike Glycoprotein. Journal of Chemical Information and Modeling. 61(10), 5152–5160. (Corresponding Author)

Destekleyen Kurumlar: 


UHeM, COVID-19 HPC Consortium (Grant No. TG-MCB200070)

Laboratuvar Üyeleri:


Mert Gölcük, Elhan Taka ve Sema Zeynep Yılmaz

Proje Ekibi:


Ahmet Yıldız (UC Berkeley)