Makromoleküler Komplekslerin Görselleştirilmesi ve UCSF Chimera Yazılımının Temel Özellikleri
Yapısal biyoloji alanında elektron mikroskobu (EM), X-ışını kristalografisi ve nükleer manyetik rezonans (NMR) gibi yöntemlerle yürütülen çalışmalar, hücre altı sistemlerin atomik çözünürlüklü yapılarının belirlenmesine katkı sağlamaktadır. Ancak viral partiküller, şaperonlar ve kromozomlar gibi milyonlarca atom içeren büyük moleküler yapıların karmaşıklığı, standart görselleştirme yazılımları ile görüntülenmelerini zorlaştırmaktadır. Ayrıntılı atomik gösterimlerin yüksek bilgisayar belleği gerektirmesi ve grafik işleme hızını düşürmesi nedeniyle karmaşık analiz ve görselleştirme algoritmalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sınırlamaları aşmak amacıyla San Francisco California Üniversitesi bünyesindeki Biyobilişim, Görselleştirme ve Enformatik Kaynağı (RBVI) tarafından UCSF Chimera yazılımı geliştirilmiştir. Grafiksel kullanıcı arayüzü (GUI) ve komut satırı arayüzü sunan bu yazılım; Windows, Mac OSX ve Linux/Unix işletim sistemlerinde ücretsiz olarak kullanılabilen, akademik araştırmalara açık ve genişletilebilir bir platformdur. UCSF Chimera; 3 boyutlu (3B) moleküler yapıların, yoğunluk haritalarının, supramoleküler düzeneklerin, dizi hizalamalarının, moleküler doklama sonuçlarının ve konformasyonel toplulukların etkileşimli analizine olanak tanımaktadır.
Moleküler Doklamada Bağlanma Afinitesi ve RMSD Kavramları
Sayısal ilaç tasarımında ve yapısal biyolojide moleküler doklama (docking), bir makromolekülün (protein veya DNA) aktif bağlanma bölgesindeki bir ligand (ilaç veya inhibitör) ile oluşturduğu konfigürasyonları ve etkileşimleri inceleyen temel bir yöntemdir. Biyolojik süreçlerin gerçekleşmesinde protein-ligand bağlanması kritik bir rol oynamakta ve bu bağın gücü bağlanma afinitesi olarak adlandırılmaktadır. Bağlanma afinitesi, nicel olarak denge ayrışma sabiti (KD) üzerinden değerlendirilmektedir. Düşük KD değeri ligandın hedefine yüksek afinite ile bağlandığını gösterirken, yüksek KD değeri düşük afiniteye karşılık gelmekte ve maksimum fizyolojik yanıt için daha yüksek ligand konsantrasyonu gerektirmektedir. Doklama analizlerinde ve konformasyonel incelemelerde ligandın hedef moleküle bağlanma yönelimlerini değerlendirmek amacıyla uzunluk birimi cinsinden ifade edilen kök ortalama kare sapması (RMSD) değerleri hesaplanmaktadır.
UCSF Chimera Mimarisi ve Moleküler Görselleştirme Modları
UCSF Chimera yazılımının birincil programlama dili, nesne odaklı ve modüler yapısıyla hızlı kod geliştirme ile hata ayıklama imkânı tanıyan Python dilidir. Yazılım mimarisi temel bir çekirdek ile üst düzey analiz işlevlerini sağlayan uzantılardan (extensions) oluşmaktadır. Yapısal veriler dosya olarak açılabildiği gibi, Protein Data Bank (PDB) veri tabanından kimlik numarası (Fetch by ID) girilerek de yüklenebilmektedir. Görselleştirme süreçlerinde protein zincirlerinin farklı renklerle gösterildiği ikincil yapı görünümü (Presets → Interactive 1 [ribbons]), tüm atomların açıkça sergilendiği tam atom görünümü (Presets → Interactive 2 [all atoms]) ve hidrofobik yüzey dağılımının incelendiği yüzey görünümü (Presets → Interactive 3 [hydrophobicity surface]) gibi farklı seçenekler sunulmaktadır.
Reseptör ve Ligand Yapılarının Doklama Öncesi Hazırlanması ve Minimizasyonu
Doğru bir doklama analizi için reseptör (örneğin PDB: 6W63) ve ligand (örneğin X77 inhibitörü) öncelikle optimizasyon işlemlerinden geçirilmektedir. Reseptör dosyasında yer alan standart olmayan inhibitör veya kristalografik kalıntılar seçilerek silinmekte ve temizlenen yapı kaydedilmektedir. Ardından DockPrep ve yapı minimizasyonu (Tools → Structure Editing → Minimize Structure) arayüzleri kullanılarak çözücü moleküllerin çıkarılması, eksik yan zincirlerin Dunbrack 2010 rotamer kütüphanesi ile tamamlanması, hidrojen atomlarının eklenmesi ve yük atamaları gerçekleştirilmektedir. Standart amino asit kalıntıları için Amber ff14SB kuvvet alanı, diğer kalıntılar ve ligand için ise AM1-BCC yük hesaplama yöntemi uygulanmaktadır. Benzer minimizasyon ve yük atama prosedürleri PDB’den indirilen .mol2 formatındaki ligand molekülüne de uygulanarak moleküller doklamaya hazır hale getirilmektedir.
AutoDock Vina ile Doklama Prosedürü ve ViewDock Analizi
Scripps Araştırma Enstitüsü’nde Dr. Oleg Trott tarafından geliştirilen AutoDock Vina, hesaplama hızı ve doğruluk oranı yüksek açık kaynaklı bir doklama yazılımıdır. UCSF Chimera arayüzü üzerinden entegre olarak çalıştırılabilen AutoDock Vina’da, doklama alanını belirleyen ızgara (grid) koordinatları ve boyutları aktif bölge veya bilinen inhibitör konumu dikkate alınarak tanımlanmaktadır. Hesaplama sonucunda oluşan konformasyonlar ve bağlanma skorları .pdbqt formatında kaydedilerek ViewDock uzantısı üzerinden analiz edilmektedir. ViewDock arayüzü; bağlanma enerjisi skorlarını, RMSD alt/üst sınır değerlerini ve hedeflerle oluşturulan hidrojen bağlarını sıralayıp filtreleme olanağı vermektedir. Intermodel seçeneği ile reseptör-ligand arasındaki hidrojen bağlarının sayısı ve etkileşim mesafeleri görselleştirilerek en uygun bağlanma modları belirlenmektedir.
Sayısal İlaç Tasarımı ve İlaç Yeniden Konumlandırma ile İlişkisi
Hesaplamalı doklama ve görselleştirme yaklaşımları, modern yapısal biyoloji ve ilaç geliştirme süreçlerinin ayrılmaz bir parçasıdır. UCSF Chimera, UCSF ChimeraX, PyMOL, VMD, JMOL, RasMOL, YASARA ve CCP4mg gibi yazılımlar moleküler etkileşimlerin detaylı haritalandırılmasına imkân tanımaktadır. Protein-ligand etkileşimlerinin ve bağlanma skorlarının sayısal olarak tespiti, yeni biyoaktif bileşiklerin keşfinin yanı sıra bilinen moleküllerin farklı hedeflere karşı değerlendirildiği ilaç yeniden konumlandırma (drug repurposing) çalışmalarında da, sıfırdan ilaç tasarlamak yerine bilinen ligandların test edilmesine imkân tanımaktadır.
Derleyen: Gizem Kocamaz
