Doğada ve nanoölçekli sistemlerde düzenli geometrik yapıların kendi kendine bir araya gelmesi, biyolojik sistemlerin organizasyonu ve hücresel işlevlerin yürütülmesi açısından büyük bir önem taşımaktadır. Özellikle viral kapsitler gibi karmaşık makromoleküler yapılar, sınırlı sayıda genetik kod kullanarak olabilecek en büyük hacme ulaşabilmek adına kuazisimetri (aynı protein alt birimlerinin yapıda birbirine benzer ancak tam olarak özdeş olmayan konumlarda bulunabilmesi)ilkelerinden yararlanmaktadır. Doğal şablonlara bağlı kalmadan sıfırdan tasarlanan yapay protein sistemleri, biyoteknolojik uygulamalar, hedeflenmiş kargo iletimi ve hücresel nanoteknoloji için moleküler platformlar sunmaktadır. Ancak, tek bir amino asit dizisinin montaj sürecinde agregasyona yol açmadan doğru konformasyonel değişiklikleri geçirmesini sağlamak, fonksiyonel nanomateryal mühendisliğinin önündeki en büyük teknik zorluklardan birini oluşturmaktadır.Geleneksel de novo tasarım yaklaşımları, genellikle sabit konformasyonlara ve belirli nokta grubu simetrilerine sahip yapılar üretmekle sınırlı kalmaktadır. Bu durum, organel veya hücre altı ölçekteki (10-1000 nm) makromoleküler yapıların programlanabilir şekilde üretilmesini engellemektedir. Söz konusu yapısal sınırlamaları aşmayı amaçlayan araştırmacılar, bu çalışmada, geometrik kısıtlama prensibine dayanan yeni bir örtük çoklu durum tasarım stratejisi geliştirmiştir. Bu yöntemle, monomerik esneklikten faydalanılarak spontane simetri kırılması yoluyla kapanabilen ve boyutu hassas bir şekilde ayarlanabilen iki bileşenli küresel protein kafeslerinin üretilmesi hedeflenmiştir.
Araştırmacılar, geliştirilen strateji kapsamında üç eksenli simetriye sahip olan C3-A homotrimeri (aynı üç protein zincirinden oluşan yapı) ile RFdiffusion (generatif bir protein tasarım yapay zeka yöntemi) kullanılarak oluşturulan iki eksenli simetriye sahip C2-B bağlayıcı dimerlerini (iki protein zincirinden oluşan yapı) moleküler yapı taşları olarak kullanmıştır. Tasarımda, düzlemsel altıgen ağlar oluşturacak şekilde konumlandırılan bileşenlerin eksenleri içe doğru bükülerek sisteme pozitif kavis verilmiştir. Altıgen geometrilerin tek başına küresel bir yüzeyi kapatamaması nedeniyle oluşan gerilimi azaltmak amacıyla, ProteinMPNN ve AlphaFold2 destekli hesaplamalı yöntemlerle kavis derecesi ayarlanabilen dimerler modellenmiştir. Elde edilen tasarımlar Escherichia coli bakteriyel ekspresyon sisteminde üretilip saflaştırıldıktan sonra, yapısal organizasyonları cryo-elektron mikroskobu , cryo-elektron tomografisi ve X-ışını kristalografisi analizleriyle incelenmiş; ayrıca insan osteosarkom hücre hatlarında (U2OS) tek parçacık takibi nanoreolojisi (hücre içi akışkanlık özellikleri) ve kargo yükleme deneyleri yürütülmüştür.
Elde edilen bulgular, tasarlanan dimerlerin koni açılarının 40 dereceden 4 dereceye kadar değiştirilmesiyle kafes çaplarının 40 nanometreden 200 nanometrenin üzerine, moleküler ağırlıklarının ise 2 megadaltondan 50 megadaltonun üzerine kadar programlanabildiğini ortaya koymaktadır. En basit Goldberg ikosaediri yapısındaki T=3 kafesinin cryo-EM analizi, C3-A proteininin bir araya gelme sürecinde orijinal C3 simetrisini bozarak asimetrik bir trimer konformasyonuna dönüştüğünü ve 20 Angstromluk bir kaymayla simetri kırılmasının gerçekleştiğini doğrulamaktadır. Elektron mikroskobu görselleri, küresel kapanmayı sağlayan pentagonal kusurların tüm tasarımlarda oluştuğunu, yüksek T numaralı büyük kafeslerde ise heptagonal kusurların da yer alabildiğini göstermektedir. Hücre içi deneylerde, floresan işaretli kafeslerin difüzyon katsayılarının tasarlanan boyutlarıyla ters orantılı olduğu belirlenmiş, p53 tümör baskılayıcı proteininin nanobody (küçük antikor fragmanı) füzyonları vasıtasıyla kafeslere bağlanarak çekirdeğe geçişinin engellendiği ve sitozolde tutulduğu gözlenmiştir. Ayrıca, anti-GFP nanobody içeren kafeslerin, gen düzenleme aracı olan Cas9 ribonükleoprotein kargolarını morfolojik değişikliğe uğramadan verimli bir şekilde kapsülleyebildiği ve belirli EndoTag (endositoz tetikleyici peptitler) protein füzyonları aracılığıyla sortilin ve ASGPR reseptörlerine bağlanarak hücre içine alınabildiği ortaya konmuştur.
Bu çalışma, kuazisimetrik prensiplerin sentetik protein tasarımına aktarılmasıyla hücre altı ve organel ölçeğindeki biyomateryallerin kontrol edilebilir şekilde üretilmesine olanak tanımaktadır. İki bileşenli sistemin sunduğu modüler fonksiyonelleştirme kapasitesi, de novo protein kafeslerinin hücresel biyolojide pasif reolojik problar olarak kullanımının yanı sıra hücre içi protein lokalizasyonunun kontrol edilmesinde yeni stratejiler sunmaktadır. Hücre içi ve hücre dışı reseptör etkileşimlerinin moleküler düzeyde ayarlanabilmesi, bu yapıların biyolojik sistemlerde hassas kargo iletim platformları olarak değerlendirilebileceğine işaret etmektedir. Bulgular, gelecekte sentetik biyolojide özelleştirilmiş enzimatik kaskatların barındırılacağı yapay mikrokompartmanların geliştirilmesine katkı sağlayabilir.
Yazar: Elinsu AK
Editör: Damla ÖZDEMİR
Referans: Wang, S., Xie, Y., & diğerleri. (2026). De novo design of quasisymmetric two-component protein cages. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-026-10464-0
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisi-
Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlenmesi ile hazırlanmaktadır.
