Proteinler genetik bilginin harekete geçmiş şeklidir. İnsan vücudunda yaklaşık 20.000 farklı protein türü bulunur. Proteinler savunma, taşıma, enzimler ve haberleşme gibi bir çok rol oynar.
Proteinlerin fonksiyonlarını şekilleri belirler. Proteinlerin şekillerini ise katlanma şekilleri belirler. Katlanma paternlerini içerilen amino asit sırası ve türü belirler. DNA’da meydana gelen bir mutasyon dolaylı olarak oluşacak proteinin fonksiyonunu değiştirir bu nedenle.
Orak hücreli anemi hastalarında sadece 1 amino asit değiştiği için hemoglobin proteini farklı katlanır. Fonksiyon değişimleri, duruma göre canlının adaptasyon başarısını arttırabilir veya azaltabilir.
Katlanmanın 4 Aşaması
Ribozom sayesinde 20 değişik çeşit aminoasit, bir zincirdeki gibi uç uca dizilerek proteinleri oluştururlar ve her bir protein için hangi aminoasitlerin hangi sırayla dizileceği DNA tarafından önceden belirlenmiştir.
Katlama temelde 4 adımda gerçekleşir:
• Birinci adımda protein düz bir aminoasit zinciridir
• İkinci adımda zincir Alfa sarmalları ve beta tabaka yapılarını oluşturur
• Diğer adımlarda ise protein giderek daha düzenli bir hale gelir harflerden kelimeleri, kelimelerden cümleleri ve paragrafları oluşturmak gibi düşünülebilir.
Levinthal’ın paradoksu
Cyrus Levinthal adlı moleküler biyolog, bir protenin doğru şekline rastgele olarak katlanmasının imkansıza(100 aminoasit zinciri için 1/3¹⁹⁸) yakın olduğunu hesapladı.
Bu nedenle proteinler katlanırken bazı kurallara uymalıdırlar. Günümüzde yapılan hücre çizimleri iyimserdir, gerçekte bir hücrenin içerisi çok karışıktır ve saniyede milyarlarca çarpışma gerçekleşir. Proteinler katlanırken bu çarpışmalardan etkilense de optimizasyon sürecindeki kuvvetler daha büyüktür.
Birincil zincir, uç uca eklenmiş farklı mıknatıslar olarak düşünülebilir, bu zincir serbest bırakıldığında mıknatıslar birbirlerine farklı kuvvetler uygulayacaklar ve en sonunda en düşük enerjili seviyeye ulaşacaklardır.
Proteinler de bir su damlasının küre olması gibi yüzey alanını minimize ederek en düşük enerji seviyesine ulaşmaya çalışırlar.
Makinelere Biyoloji Öğretmek
AlphaFold ismiyle yarışan DeepMind 43 proteinden sadece 3’ünü tahmin edebilen en yakın rakibini geride bırakarak 25 tahminle CASP yarışmasında birinci oldu.DeepMind ekibinde biyokimya tecrübesi olmamasına rağmen Novartis gibi devleri yenebildiler.
Proteinler içerdikleri aminoasitlere göre kodlanabilir “VWDALRNETVKQR” gibi. Sonrasında kodlanan bilgi ile özel tasarlanmış yapay sinir ağları beslenebilir.
Proteinin 3D şeklini tahmin etmek için 2 bilgi yeterlidir bunlar:
• Aminoasitler arasındaki uzaklık.
• Kimyasal bağlar arasındaki açı. 2 boyut için 1 açı değeri yeterliyken, 3. boyutta 2 adet açı değeri gerekir.
Tahmin edilen uzaklık ve açı bilgileri sonrasında özel yazılımlar ile proteinlere görselleştirilebilir.
Araştırmacılar bu süreçte özel aktivasyon(Elu) fonksiyonları ve konvolüsyon(dilated) katmanları geliştirmişlerdir. Biyolojik süreçlere benzer bir şekilde molekülün yapısı Gradyan Alçalması ile potansiyel enerjiyi minimize ederek belirlenir.
Uygulanabilecek en verimli teknik 3 boyutlu şekli bilinmeyen proteine en yakın dizilimdeki bilinen proteini bulmak ve modifiye etmek olacaktır. Örneğin; bilinmeyen protein “ACKLPWTSRQN”, bilinen en yakın “ACKLPWTSRTQ” olursa, son 2 aminoasit bağlantıları düzenlenerek başarılı tahminler yapılabilir..
Uygulamalar
- Virüsleri ve mutant proteinleri hedef alan özel proteinler geliştirilebilir.
- Alzheimer, Parkinson, Huntington hastalığı ve Kanser türlerinin protein katlanmasıyla bağlantılı olduğu düşünülmektedir. Protein katlanmasındaki anlayışın geliştirilmesi gelecekteki tedavileri hızlandıracaktır.
— Kaynaklar —
2-Deepmind
Yazar
Ömer Özgür
AI TEAM
