KORONAVİRÜS PROTEİNLERİNİN TİTREŞİMLERİ ENFEKSİYONDA ROL OYNUYOR OLABİLİR
Araştırma sivri uçlu proteinlerin mekanik özelliklerinin, farklı koronavirüslerin bulaşıcılığı ve ölümcüllüğünü öngörebileceğini ileri sürüyor
David L. Chandler | MIT Haber Ofisi
19 Kasım 2020
Birisi çok da yaramayan bir anahtar ile kilidi açmaya çalıştığında, bazen anahtarı biraz sallamak işe yarayabilir. Şimdi, MIT’nin yeni araştırması, Covid-19’a neden olan da dahil olmak üzere koronavirüslerin, virüsleri içeri sokmaları için hücreleri kandırmak için benzer bir yöntem kullanabileceğini öne sürüyor. Bulgular, koronavirüslerin farklı türlerinin veya mutasyonlarının ne kadar tehlikeli olabileceğini belirlemek için faydalı olabilir ve tedaviler geliştirmenin yeni yaklaşımını işaret ediyor olabilir.
Koronavirüslere taç benzeri görünümlerini veren sivri uçlu proteinlerinin insan hücreleriyle nasıl etkileşime girdiğine dair çalışmalar tipik olarak biyokimyasal mekanizmaları içerir, ama bu çalışma için araştırmacılar farklı bir yaklaşım aldılar. Atomistik simülasyonları kullanarak, sivri uçlu proteinlerinin nasıl hareket ettiğinin, şekil değiştirdiğinin ve titreştiğinin mekanik yönlerine baktılar. Sonuçlar, bu titreşim hareketlerinin koronavirüslerin kullandığı stratejiyi açıklayabileceğini gösteriyor, ki bu hücre yüzeyindeki kilitleme mekanizmasını kandırarak virüsün hücre duvarından geçmesine izin verebilir, böylece hücrenin üreme mekanizmalarını ele geçirebilir.
Ekip, sivri uçların titreşimlerinin hızı ve yoğunluğu ile virüsün hücreye ne kadar çabuk nüfuz edebileceği arasında güçlü bir doğrudan ilişki buldu. Ayrıca, sözü edilen koronavirüsün ölüm oranıyla ters bir ilişki buldular. Çünkü bu yöntem, bu proteinlerin ayrıntılı moleküler yapısının anlaşılmasına dayanmaktadır, araştırmacılar bunun potansiyel risklerini hızlı bir şekilde değerlendirmek için ortaya çıkan koronavirüsleri veya Covid-19’un yeni mutasyonlarını taramak için kullanılabileceğini söylüyor.
MIT inşaat ve çevre mühendisliği profesörü Markus Buehler ve yüksek lisans öğrencisi Yiwen Hu tarafından elde edilen bulgular bugün Matter dergisinde yayınlanıyor. Buehler’r göre, SARS-CoV-2 virüsüyle ilgili gördüğümüz tüm görüntüler biraz yanıltıcı, çünkü gerçekte atomların, moleküllerin ve virüslerin nanometre ölçeğindeki tüm maddeler “sürekli hareket ediyor ve titreşiyor.” Gerçekte kimya kitabındaki veya bir websitesindeki o imgelere benzemiyorlar. Covid-19 ortaya çıkar çıkmaz ve virüsün protein kompozisyonu hakkında bilgi elde edilir edilmez, Buehler ve makine mühendisliğinde doktora öğrencisi Hu proteinlerin mekanik özelliklerinin insan bedeni ile etkileşimlerinde rol oynayıp oynamadığını görmek için harekete geçtiler.
Bu protein moleküllerinin minik nano ölçekli titreşimlerini ve şekil değişikliklerini deneysel olarak gözlemlemek son derece zordur, bu nedenle gerçekleşen şeyi anlamakta atomistik simülasyonlar yararlıdır. Araştırmacılar, enfeksiyonda, virüs parçacığı protein sivri uçları ile ACE2 reseptörü adı verilen insan hücre reseptörüne bağlandığı zamanki çok önemli adıma bakmak için bu tekniği uyguladılar. Bu sivri uçlar reseptöre bağlandıklarında, bu, virüsün hücreye sızmasını sağlayan bir kanalık kilidini açıyor.
Buehler’e göre, proteinler ve reseptörler arasındaki bu bağlanma mekanizması kilit ve anahtar gibi çalışıyor ve titreşimler bu nedenle önemli. “Eğer bu statik ise, ya uyar ya da uymaz” diyor. Ama protein sivri uçları statik değil; “bunlar titreşiyorlar ve sürekli olarak şekillerini hafifçe değiştiriyorlar ve bu önemli. Anahtarlar statik, bunlar şekil değiştirmiyor, ama ya sürekli olarak şeklini değiştiren bir anahtarınız olsaydı – o titreşseydi, hareket etseydi, hafifçe şekil değiştirseydi? Anahtarı kilide soktuğumuz anda nasıl göründüklerine bağlı olarak farklı şekilde uyacaklardır.”
Araştırmacılar anahtar ne kadar çok değişirse, uygun bir yer bulma olasılığının o kadar arttığı sonucuna varıyorlar. Buehler ve Hu “normal mod analizi” gibi analitik aletleri kullanarak, bu protein moleküllerinin ve etkileşimlerinin titreşimsel karakteristiklerini modelledi. Bu yöntem, atomları, aralarında hareket eden çeşitli kuvvetleri temsil eden gözeler ile birbirine bağlanan nokta kütleler olarak modelleyerek, titreşimlerin gelişme ve yayılma şeklini incelemek için kullanılır.
Titreşim karakteristiklerindeki farklılıkların, doğrulanmış vaka sayıları ve vaka ölüm oranlarının küresel veritabanından alınan koronavirüslerin farklı türlerinin bulaşıcılık ve ölümcül olmalarının farklı oranları ile kuvvetli şekilde bağdaştığını buldular. SARS-CoV, MERS-CoV, SATS-CoV-2 ve tüm dünyada gittikçe artarak yaygınlaşan SARS-CoV-2 virüsünün bilinen bir mutasyonu dahil virüsler incelendi. Buehler bunun, bu yöntemi, muhtemelen ortaya çıkacak yeni koronavirüslerden kaynaklanan potansiyel riskleri tahmin etmek için umut verici bir araç haline getirdiğini söylüyor.
Hu, araştırdıkları tüm vakalarda, sürecin çok önemli bir parçasının reseptöre bağlanmak için onu erişebilir yapan protein molekülünün bir dalının yukarıya doğru sallanmasındaki dalgalanmalar olduğunu söylüyor. “Bu hareket çok önemli işlevsel öneme sahip” diyor. Diğer bir anahtar gösterge, moleküldeki iki farklı titreşim hareketi arasındaki oranla ilgilidir. “Bu iki faktörün epidemiyolojik verilerle, virüs bulaşıcılığıyla ve ayrıca virüs ölümcüllüğü ile doğrudan bir ilişki gösterdiğini görüyoruz.” diyor.
Buldukları bağıntıların, yeni virüsler veya var olan virüslerin yeni mutasyonları ortaya çıktığı zaman, “bunları tamamen mekanik bir yönden tarayabildiğiniz” anlamına geliyor”. “Bu sivri uçlu proteinlerin dalgalanmalarına bakabilir ve epidemiyolojik yönde nasıl hareket edebileceklerini görebilirsiniz, hastalığın ne kadar bulaşıcı ve ne kadar ciddi olacağı gibi.”
Buehler, potansiyel olarak bu bulguların ayrıca Covid-19 ve diğer koronavirüs hastalıklarının olası tedavilerinde araştırma için yeni bir yol sağlayabileceğini söylüyor, sivri uçlu proteinlere, onları katılaştıracak ve titreşimlerini sınırlayacak bir şekilde bağlanacak bir molekül bulmanın mümkün olabileceğini tahmin ediyor. Başka bir yaklaşım gürültü – kesen telefon kulaklığının istenmeyen sesleri baskıladığı şekle benzer, sivri uçlardaki doğal olanların etkisini yok etmek için zıt titreşimler başlatmak olabilir.
Buehler, biyologlar koronavirüslerde meydana gelen çeşitli mutasyon türleri hakkında daha fazla bilgi edindikçe ve genomların hangi alanlarının değişime en çok maruz kaldığını belirledikçe, bu metodolojinin de öngörücü olarak kullanılabileceğini söylüyor. Ortaya çıkması en olası olan mutasyon türlerinin hepsi simüle edilebilir ve dünyanın o belirli türlerin etkin ortaya çıkmasının işaretlerini izlemek üzere uyarılabilmesi için, en tehlikeli potansiyele sahip olanlar işaretlenebilir. Buehler ekliyor, “Bulgularımıza göre, örneğin şu sıralarda tüm dünyada yayılan baskın Covid-19 G614 mutasyonunun hafifçe daha bulaşıcı ve hafifçe daha az ölümcül olduğu tahmin ediliyor.”
Bu araştırma ile bağlantılı olmayan Riverside’da California Üniversitesinde elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü Mihri Özkan, bu analizin “nanomekanik özellikler ile koronavirüsün ölümcüllüğü ve enfeksiyon oranı arasındaki doğrudan ilişkiye işaret ettiğini” söylüyor. “Onun çalışmasının hastalıkların ve enfeksiyonların mekaniği hakkında içgörüler bulmak için alanı önemli ölçüde ilerlettiğine inanıyorum” diyor.
Özkan ekliyor, “Eğer doğal çevresel koşullar altında, bu çalışmada öngörülen toplam esneklik ve hareketlilik oranları gerçekleşirse, bağlanmayı önlemek için sivri uçlu proteini kilitleyebilen etkili bir engelleyiciyi tanımlamak SARS-CoV-2 enfeksiyonlarını önlemenin kutsal kasesi olabilir, ki şu anda hepimizin çaresizce ihtiyacımız olan şey bu”.
Araştırma MIT-IBM Watson AI Laboratuarı, Naval Research Ofisi ve , Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından destekleniyordu.
https://news.mit.edu/2020/vibrations-coronavirus-proteins-1119?fbclid=IwAR3skoju9s2_AYKFudI78mxqR97_keCyoIIiwVPBtH7CDAqaXQIKYFO_2fI