Tek Bileşenli Yarı Simetrik Protein Nanokafeslerin Tasarımı

Bilim dünyasında protein tasarımı konusunda devrim niteliğinde bir gelişme yaşandı. David Baker ve ekibi, tek bir yapı taşından oluşan ve "yarı-simetrik" (quasisymmetric) olarak adlandırılan devasa protein nanokafeslerin tasarımında çığır açan bir yöntem geliştirdi. Nature dergisinde yayımlanan çalışma, biyolojik ilaçların taşınması ve hedeflenmiş tedavi yöntemleri için yeni bir dönemin kapılarını aralıyor.

Doğada, tek bir yapı taşından inşa edilebilen en büyük tam simetrik kapalı yapı 60 alt birimli ikozahedron iken; virüsler, "yarı-simetri" prensibini kullanarak yüzlerce hatta binlerce özdeş alt birimden oluşan kapsid yapıları oluşturabiliyor. Ancak, kimyasal olarak tamamen aynı olan alt birimlerin, yapı içerisindeki farklı konumlarda farklı konformasyonlar almasını ve farklı etkileşimler kurmasını sağlamak, tasarımcılar için bugüne kadar büyük bir zorluk teşkil ediyordu.

Araştırmacılar, programlanmış eğriliklere sahip ve güçlü etkileşimler kuran yapı taşlarının sisteminde, kendiliğinden oluşan bir "simetri kırılması" ile yarı-simetrinin ortaya çıkabileceği hipotezini kurdu. Bu prensibi, kafes mimarisinin parametrik temsili ile RoseTTAFold difüzyon üretken modellemesini birleştiren yenilikçi bir tasarım yaklaşımıyla desteklediler. Sonuç olarak, geniş bir yelpazede yarı-simetrik montajlar üretmeyi başardılar.

Elektron mikroskobu ile yapılan analizler, 180 ile 2.160 arasında alt birimden oluşan, çapları 68 nm ile 220 nm arasında değişen ve T=3 ile T=36 arası değerlere sahip kafeslerin başarıyla oluşturulduğunu kanıtladı. Ayrıca, ikozahedral olmayan ve klatrin benzeri yapılar da tasarlanabildi. Kriyojenik elektron mikroskobu (cryo-EM) çalışmaları, T=3 mimarisindeki hekson ve penton oluşumlarının, tasarlanan alt birim arayüzündeki simetri kırılmasından kaynaklandığını ortaya koydu.

Bu çalışma, karmaşık sistemlerin detaylı mimarisinin, genel sistem özellikleri tasarlanarak kontrol edilebileceğini gösteriyor. Geliştirilen bu yeni yol haritası, özellikle biyolojik ilaçların vücut içerisinde güvenli ve etkin bir şekilde taşınması için gereken büyük hacimli nanokafeslerin üretiminde kritik bir rol oynayacak.