Tek hücreli organizmalardan insan hücrelerine kadar uzanan biyolojik evrimde, hücre içi yapıların işlevleri ve kökenleri modern biyoteknolojinin temel araştırma alanlarını oluşturmaktadır. Ökaryotik hücrelerde bilinen en büyük nükleoprotein parçacıkları olan ve keşiflerinden bu yana işlevi tam olarak aydınlatılamayan “vault” (kasa) yapılarının prokaryotlarda ve bakteriyofajlarda var olup olmadığı uzun süredir bilinmemekteydi. Bu durum, evrimsel kökeni belirsiz olan bu büyük yapıların incelenmesi ve prokaryotik homologların taranarak mimari çeşitlilik ile mühendislik potansiyellerinin ortaya konulmasını gerekli kılmaktadır.
Anthropic araştırmacıları (Januka S. Athukoralage ve arkadaşları), prokaryotik ve bakteriyofaj majör vault proteini (MVP) homologlarının vault nanoparçacıkları oluşturup oluşturmadığını sistematik olarak incelemek amacıyla kapsamlı bir metagenomik tarama ve yapısal analiz gerçekleştirmiştir. Araştırma ekibi, yaklaşık 15 milyar protein dizisini kapsayan bir veritabanı taraması yaparak 29 bakteri ve 4 arke filumunda toplam 1.507 MVP/MVP-like protein grubu tanımlamış; bunlardan Escherichia coli (E. coli) içerisinde ifade edilen adayları boyut dışlama kromatografisi [SEC; moleküllerin boyutlarına göre ayrılmasını sağlayan kromatografi yöntemi] ile izole ederek elektron mikroskobu ile yapılarını doğrulamıştır.
Yöntemsel yaklaşım kapsamında, omuz (shoulder) bölgesine ait profil gizli Markov modelleri (HMM) kullanılarak yapılan büyük ölçekli taramalar ve AlphaFold2 tabanlı yapı tahminleri yürütülmüştür. Seçilen aday proteinler E. coli ve hücre dışı sistemlerde üretilmiş; boyut dışlama kromatografisiyle ayrıştırılan parçacıklar negatif boyama ve yüksek çözünürlüklü kriyojenik elektron mikroskobu [kriyo-EM; dondurulmuş biyolojik numunelerin elektron mikroskobuyla yüksek çözünürlükte incelenmesi] ile analiz edilmiştir. Ayrıca, yapısal kuralları test etmek amacıyla duvar tekrar sayıları artırılmış L05+2 ve L05+4 varyantları ile tek nokta mutasyonları (R55E, I794D vb.) içeren mühendislik varyantları tasarlanmıştır.
Elde edilen temel bulgular, prokaryotik ve bakteriyofaj MVP homologlarının vault parçacıkları oluşturabildiğini ortaya koymaktadır. Bakteriyofaj L05 homologunun kriyo-EM ile çözülen 3.2 angstrom çözünürlüğündeki yapısı, memeli vaultlarındaki 39 zincire karşılık her yarıda 48 olmak üzere toplam 96 MVP zincirinden oluşan bir kabuk sunmuş; bu yapı insan vaultlarından yaklaşık %25 daha büyük bir iç hacim (~40.000 nm³) sağlamıştır. L05 duvar ceplerinde koenzim A (CoA) benzeri küçük moleküllerin bağlandığı yoğunluklar saptanmış, duvar tekrar sayılarının artırılmasıyla (L05+2 varyantı) duvar eğriliğinin 16 derece değiştirilerek iç hacmin insan vaultuna kıyasla %50 oranında (~48.000 nm³) büyütülebileceği gösterilmiştir. Duvar dikişindeki tek bir yük değişimi mutasyonunun (R55E) veya kap sarmalındaki noktasal değişimlerin (I794D) kapalı kabuk oluşumunu bozarak rozet benzeri yapılara yol açtığı, bunun da yapısal birleşmenin hassasiyetini gösterdiği belirtilmiştir.
Bu çalışma, prokaryotik ve faj kökenli vaultların varlığını göstererek evrimsel kökenler hakkındaki bilgileri genişletmiş ve bu yapıları boyutları ayarlanabilir (size-tunable) nanokapsül mühendisliği için bir platform olarak konumlandırmıştır. Elde edilen moleküler veriler ve yüksek çözünürlüklü yapılar, bu yapıların nanokapsül mühendisliği ve kargo paketleme uygulamaları için boyutları ayarlanabilir bir iskele olarak değerlendirilebileceğine işaret etmektedir.
Yazar:Elinsu Ak
Editör: Hazel Birgül
Referanslar: https://www.anthropic.com/research/investigating-vault-particles-with-claude
https://www-cdn.anthropic.com/76e55fbe85697afbaae16b839498dc00797dec30.pdf
