Transmembran proteinler, iyonların ve metabolitlerin hücre membranından geçişini düzenleyerek hücre yapılarının çevresel değişimlere adaptasyonunda önemli bir rol üstlenmektedir. Bu yapıların de novo tasarımı ise uyarana bağlı konformasyonel değişiklerin karmaşıklığı sebebiyle henüz tam olarak aşılamamış bir konudur. Özellikle nöron gibi uyarılabilir hücre yapılarının fonksiyon görebilmesi için kritik öneme sahip olan voltaj kapılı iyon kanalları doğada oldukça kompleks yapılara sahiptir. Bu fonksiyonelliğin yapay olarak taklit edilmesi yüklü rezidülerin hidrofobik membran içine yerleştirilmesi gibi ciddi termodinamik ve yapısal engeller içermektedir. Var olan çalışmalarda statik gözenek dizaynında başarılı olunsa da belirli membran potansiyellerini algılayarak hücresel aktivitelerin dinamik bir şekilde kontrol edilebileceği yapay kanalların olmaması mevcut literatürdeki boşluklardan biridir.
Zhou ve ekip arkadaşları, doğal kanallardan yapısal ve fonksiyonel olarak tamamıyla ayrışan de novo voltaj kapılı anyon kanalı (De novo Voltage Gated Anion Channel, dVGAC) olarak adlandırdıkları yapay kanalları tasarlamayı hedeflemiştir. Araştırmacılar kanalın transmembran bölgesine stratejik olarak yerleştirdikleri Arg (arjinin) rezidülerinin (kalıntılarının) oluşturacağı darboğazın hem voltaj sensörü hem de anyon seçicilik filtresi olarak ikili bir etkinlik gösterip gösteremeyeceğini test etmişlerdir. Çalışmada, voltaj değişimlerine yanıt olarak arjinin yan zincirlerinin konformasyonel hareketlerinin kapılama etkinliği yapıp yapamayacağı ve nöronal ateşlemenin baskılanması yoluyla geliştirilebilecek uygulamalar için modüle edilebilen yapay protein yapılarının geliştirilmesi amaçlanmıştır.
Araştırmacılar, parametrik sarmal demeti örneklemesi ile ProteinMPNN ve AlphaFold2 gibi derin öğrenme tabanlı sistemler kullanılarak 15 sarmaldan oluşan pentamerik mimariye sahip proteinler tasarlanmıştır. Tasarlanan bu protein oluşumları yüksek çözünürlüklü cryo-EM (kriyo-elektron mikroskobu) ile doğrulanmış iyon iletkenliği ve selektivitesi ise whole-cell patch clamp ve tek kanal kayıt teknikleriyle karakterize edilmiştir. Kanalın kapılanma dinamiğini anlamak için moleküler dinamik simülasyonlarından faydalanılmıştır; ayrıca oluşturulan nokta mutasyonlarla (örneğin R165D mutasyonu) oluşturulan modellerde (dVGAC1.0) nöronal aktivite üzerindeki etkinliği farelerin santral amigdala bölgesindeki nöronlara viral vektörler aracılığıyla aktarılarak in vivo ortamda incelenmiştir.
Elde edilen bulgular, hesaplamalı modeller aracılığıyla yüksek yapısal uyum gösteren dVGAC yapılarının başarılı bir şekilde üretilebildiği ispatlanmıştır. Söz konusu kanal yapısının hücreye klor iyonu akışını kolaylaştırırken Na⁺ NMDG⁺ ve Glu⁻ geçişini engellemekte olduğu; ayrıca kanalda negatif potansiyelde akımın olmadığı ve bunun da Cl⁻ iyon geçişinin tek yönlü olduğunu gösterdiği ispatlanmıştır. Kanalın anyon geçirgenlik sırası ise Cl⁻→ Br ⁻→ F⁻→ NO₃⁻ → I⁻ olarak izlenmiştir. Bu sıralamayla kanal yapısı doğal klorür kanallarından farklı bir karakter sergilemiştir. Araştırmada ayrıca voltaj kapılanmasının arjinin yan zincirlerindeki duyarlılığa bağlı hareketlenme aracılığıyla olduğu ortaya koyulmuştur özellikle de dVGAC1.0 modelinde bahsedilen mutasyon sebebiyle kanal potansiyelinde yaklaşık 20 mV’luk bir sapma olduğu izlenmiştir ve bunun da nöronal ateşlemeyi baskıladığı görülmüştür. Bu sonuçlar ışığında tasarlanan yapay kanalların gelecek projeksiyonunda nöronal aktivitenin düzenlenmesi, özelleştirilmiş biyosensörlerin geliştirilmesi için güçlü bir aday olabileceğini göstermektedir.
Yazar: Melih Soner Başbey
Editör: Fatma Duran
Referans: Zhou et al., De novo designed voltage-gated anion channels suppress neuron firing, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.09.023
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisi-
Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlenmesi ile hazırlanmaktadır.
