Theses supervised by Dr. Öğr. Üyesi Ersin Emre Ören
23 theses · TOBB Economics and Technology University
Moleküler katkılamaların DNA'nın moleküler yapısı ve elektriksel iletkenliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Tek bir molekülün üzerinden geçen elektrik akımı ölçülebildiği zamandan bu yana moleküler elektronik alanında çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmaların genel amacı, yeni nesil entegre devrelerde kullanılmak üzere elektronik cihazların işlem hızını ve hafızasını arttırmaya yönelik geliştirilecek teknolojiler için bilgi birikimi oluşturmaktır. Bu tez kapsamında bahsedilen bilgi birikimine katkı sağlamak amacıyla, moleküler katkılamaların DNA'nın moleküler yapısı ve elektriksel iletkenliği üzerindeki etkileri incelendi. DNA'yı moleküler olarak katkılamanın en bilinen yolu DNA'yı hedefleyen antikanser, antiparaziter ve antibiyotik ilaçları kullanmaktadır. Bu tez kapsamında sensör teknolojisine ve ilaç-DNA etkileşimlerinin anlaşılmasına da katkı sağlamak amacıyla moleküler katkılamalar ilaç molekülleriyle yapılmıştır. Moleküler yapı incelemeleri için AMBER 16 programı kullanılarak moleküler dinamik simülasyonları yapıldı. Simülasyon süresince meydana gelen değişimleri incelemek adına; yapıların referans formlara benzerlikleri, DNA'nın baz çiftleri arasındaki hidrojen bağları ve DNA dizilimindeki pürinler arası mesafeler hesaplandı. Kümeleme algoritması kullanılarak her simülasyonu temsil eden bir temsilci yapı seçildi. Temsilci yapının kuantum mekaniksel özellikleri DFT yardımıyla hesaplanırken Gaussian 09 programı kullanıldı. Elde edilen sonuçlar v kullanılarak yapıların bant diyagramları elde edildi. Ardından her yapı için yük taşınım olasılıkları hesaplandı. Yapılan çalışmalar sonucunda, farklı moleküler katkılamaların DNA'nın moleküler yapısını ve elektriksel iletkenliğini farklı etkilediği gösterildi. Tez kapsamında yapılan çalışmanın moleküler elektronik alanında katkı sağlamasının yanı sıra ilaç testi adı verilen ölçümler için ileride geliştirilebilecek sensör teknolojilerine de katkı sağlaması beklenmektedir.
DNA origami nanoyapıların yapısal kararlılığının ve elektronik özelliklerinin moleküler dinamik ve yoğunluk fonksiyonel teorisi simülasyonları ile incelenmesi
Deoksiribonükleik asit (DNA) canlılarda genetik bilgiyi oluşturan temel moleküldür. Bunun yanı sıra, tamamlayıcı nükleotid çiftlerinin kendilerine has etkileşimleri ve nükleotidlerin istenilen diziler halinde kolayca üretilebilmesi nedeniyle nanoteknoloji uygulamalarında önemli bir potansiyele sahiptir. Uzun, tek iplikli DNA molekülünün, daha kısa iplikli DNA'lar ile birleştirilmesi sonucunda, "DNA Origami" olarak adlandırılan, istenilen şekillerde iki veya üç boyutlu nanoyapılar elde edilebilmektedir. DNA origami nanoyapılar, ilaç taşınımı, biyoalgılayıcı, inorganik malzeme sentezi gibi çeşitli uygulamalı araştırmaların yanı sıra üretim kolaylığı nedeniyle, son yıllarda hız kazanan moleküler elektronik uygulamaları için de yüksek potansiyele sahiptir. Bahsedilen bu uygulamalar için DNA origami kullanılarak cihazların üretilebilmesi ve uzun süreli dayanıklılığı, tasarlanan nanoyapılarının yapısal kararlılıklarını korumasına ve ayrıca elektronik özelliklerinin uygulamaya yönelik olarak tasarlanabilmesine bağlıdır. DNA origami yapısının kararlılığının geometri, sarmal sayısı ve çevresel koşullara bağlı olduğu bilinse de bu etkilerin doğası şimdiye kadar çok az anlaşılmıştır. Ayrıca yapısal değişikliklerin DNA origamilerin elektronik özellikleri üzerindeki etkilerini anlamak yeni elektronik cihazların geliştirilmesi için önemlidir. Bu tez kapsamında AMBER ve NAMD programları ile moleküler dinamik simülasyonları kullanılarak farklı DNA origami nanoyapılarının üç boyutlu yapıları modellendi. DNA origami nanoyapılarının konformasyonları üzerinde üç farklı parametrenin etkileri modelleme yöntemleri ile araştırıldı: 1) altın (111) yüzeyi, 2) DNA sarmallarının bağlantı noktalarının sıklığı ve 3) tuz konsantrasyon farkı. DNA origami yapılarını temsil eden daha küçük çift sarmal DNA molekülleri oluşturuldu ve altın (111) yüzeyiyle etkileşimler nedeniyle meydana gelen yapısal deformasyonların elektronik özelliklere olan etkileri GAUSSIAN programı kullanılarak incelendi. Ayrıca, biyoelektronik uygulamalar için DNA origami nanoyapısının 1,2-Dioleoil-sn-glisero-3-fosfokolin (DOPC) lipit çift tabakası içerisindeki yapısal kararlılığı araştırıldı. Daha sonra genişletilmiş Hückel metodu ve yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamaları ile enerji bant diyagramları ve moleküler orbital pozisyonları araştırıldı. DNA origami yapılarında elektriksel iletkenliğin sarmallar arasındaki iletimi incelendi. Bu çalışmaların DNA origamilerin yapısal kararlılıklarının anlaşılmasına ve DNA origami yapılarının uzun vadeli kullanımının önünü açarak ileride nanoteknolojik yeni cihazların ve uygulamaların geliştirilmesine katkı sağlaması beklenmektedir.
SARS-COV-2 spike proteininin evrimsel yollarının değişebilirlik haritaları ile tahmini
Virüsler, bulaşıcı ajanlar olarak insanlarda hastalıklara ve ölümlere yol açabilmektedir. Bu olumsuz etkileri önlemek için aşılar ve ilaçlar geliştirilmiş olsa da virüsün genetik yapısında meydana gelen mutasyonlar sebebiyle virüs, bağışıklık sisteminden kaçma ve konak hücreye daha iyi bağlanma gibi özellikler kazanarak tedavilere karşı dirençli hale gelebilir. Küresel COVID-19 pandemisi, yeni SARS-CoV-2 varyantları ortaya çıktıkça virüsün genetik materyalinde meydana gelen değişikliklerin hızlı, güvenilir ve etkili bir şekilde izlenmesi ve tahmin edilmesi gerekliliğini ortaya koymuştur. Virüsün yeni genetik yapısına uygun ilaç ve aşıların geliştirilmesi maliyetli ve zaman alıcıdır. Bu nedenle, SARS-CoV-2'nin genomunda meydana gelebilecek mutasyonları ve bu mutasyonların etkilerini henüz gerçekleşmeden önce tahmin etmek ve gerekli önlemleri almak kritik önem taşımaktadır. Bu tezde, COVID-19 pandemisine yol açan SARS-CoV-2 virüsünün evrimsel süreci incelenmiş ve gelecekte meydana gelebilecek önemli mutasyonların tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, öncelikle virüsün insan hücrelerini enfekte etmesinden sorumlu Spike (S) proteini bölgesine ait gen dizileri GISAID veri tabanından temin edilmiş ve ardından bu diziler çeşitli çoklu hizalama yöntemleri (Clustal Omega, MAFFT, TCoffee, vb.) ile hizalanmıştır. Daha sonra bu hizalamalar, çeşitli skor fonksiyonları (Karlin, Sander, Valder, vb.) kullanılarak her bir amino asit için değişebilirlik skorları hesaplanmıştır. Elde edilen değişebilirlik skorları arasındaki korelasyon analiz edilerek S proteininde korunmaya ve değişmeye yatkın bölgeler belirlenmiştir. Hesaplanan değişebilirlik skorları ve deneysel mutasyon oranı kullanılarak, rastgele yürüyüş yöntemi ile gelecekte meydana gelebilecek mutasyonlar tahmin edilmiştir. Bu çalışmanın, SARS-CoV-2 virüsünün evrimsel dinamiklerinin anlaşılmasına katkı sağlaması beklenmektedir.
DNA origami nanoyapıların yapısal kararlılığının ve elektronik özelliklerinin moleküler dinamik ve yoğunluk fonksiyonel teorisi simülasyonları ile incelenmesi
Deoksiribonükleik asit (DNA) canlılarda genetik bilgiyi oluşturan temel moleküldür. Bunun yanı sıra, tamamlayıcı nükleotid çiftlerinin kendilerine has etkileşimleri ve nükleotidlerin istenilen diziler halinde kolayca üretilebilmesi nedeniyle nanoteknoloji uygulamalarında önemli bir potansiyele sahiptir. Uzun, tek iplikli DNA molekülünün, daha kısa iplikli DNA'lar ile birleştirilmesi sonucunda, "DNA Origami" olarak adlandırılan, istenilen şekillerde iki veya üç boyutlu nanoyapılar elde edilebilmektedir. DNA origami nanoyapılar, ilaç taşınımı, biyoalgılayıcı, inorganik malzeme sentezi gibi çeşitli uygulamalı araştırmaların yanı sıra üretim kolaylığı nedeniyle, son yıllarda hız kazanan moleküler elektronik uygulamaları için de yüksek potansiyele sahiptir. Bahsedilen bu uygulamalar için DNA origami kullanılarak cihazların üretilebilmesi ve uzun süreli dayanıklılığı, tasarlanan nanoyapılarının yapısal kararlılıklarını korumasına ve ayrıca elektronik özelliklerinin uygulamaya yönelik olarak tasarlanabilmesine bağlıdır. DNA origami yapısının kararlılığının geometri, sarmal sayısı ve çevresel koşullara bağlı olduğu bilinse de bu etkilerin doğası şimdiye kadar çok az anlaşılmıştır. Ayrıca yapısal değişikliklerin DNA origamilerin elektronik özellikleri üzerindeki etkilerini anlamak yeni elektronik cihazların geliştirilmesi için önemlidir. Bu tez kapsamında AMBER ve NAMD programları ile moleküler dinamik simülasyonları kullanılarak farklı DNA origami nanoyapılarının üç boyutlu yapıları modellendi. DNA origami nanoyapılarının konformasyonları üzerinde üç farklı parametrenin etkileri modelleme yöntemleri ile araştırıldı: 1) altın (111) yüzeyi, 2) DNA sarmallarının bağlantı noktalarının sıklığı ve 3) tuz konsantrasyon farkı. DNA origami yapılarını temsil eden daha küçük çift sarmal DNA molekülleri oluşturuldu ve altın (111) yüzeyiyle etkileşimler nedeniyle meydana gelen yapısal deformasyonların elektronik özelliklere olan etkileri GAUSSIAN programı kullanılarak incelendi. Ayrıca, biyoelektronik uygulamalar için DNA origami nanoyapısının 1,2-Dioleoil-sn-glisero-3-fosfokolin (DOPC) lipit çift tabakası içerisindeki yapısal kararlılığı araştırıldı. Daha sonra genişletilmiş Hückel metodu ve yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamaları ile enerji bant diyagramları ve moleküler orbital pozisyonları araştırıldı. DNA origami yapılarında elektriksel iletkenliğin sarmallar arasındaki iletimi incelendi. Bu çalışmaların DNA origamilerin yapısal kararlılıklarının anlaşılmasına ve DNA origami yapılarının uzun vadeli kullanımının önünü açarak ileride nanoteknolojik yeni cihazların ve uygulamaların geliştirilmesine katkı sağlaması beklenmektedir.
Peptitlerin altın (Au) {111}-yüzeyi ile etkileşimlerinin incelenmesi
Proteinler ve peptitler, doğada yaşam için gerekli olan, metabolik reaksiyonları katalize etme, DNA replikasyonu, moleküler taşınım, yumuşak ve sert doku (kemik, diş) oluşumu da dahil olmak üzere çok çeşitli hayati işlevler ve süreçlerde yer alırlar. Günümüzde, protein ve peptitler biyonanoteknolojide inorganik malzemeler (Ag, SiO2, TiO2, Pd, Pt, grafene, hidroksiapatit, vb.) ile bütünleşmiş bir şekilde, biyosentez, biyoalgılayıcılar, ilaç taşınımı ve hedeflenmesi gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Burada, peptitlerin malzemelere spesifik olarak bağlanabilmeleri cihaz performanslarını etkilemektedir. Spesifik bağlanma peptitlerin amino asit sekanslarına ve dolayısı ile yapılarına bağlıdır. Günümüzde, inorganik malzemelere bağlanabilen peptitler doğadan esinlenerek ve/veya deneysel kombinatoryal seçim yöntemleri kullanılarak bulunmaktadır. Bu nedenlerle, inorganik malzemeler ile peptitler/proteinler arasındaki etkileşimlerin anlaşılması ve istenilen malzemeye özgü ve istenilen özelliklerde peptit/protein tasarımı teknolojik gelişim için çok önemlidir. Altın, iletken bir inorganiktir ve yüzey modifikasyonuna uygundur ve peptitlerle modifiye edildiğinde biyogörüntüleme, biyosensörler, kanser tedavisi ve ilaç taşınımı gibi pratik uygulamalarda kullanılabilir. Bu tez kapsamında, peptitlerin Au {111}-yüzeyi ile etkileşim mekanizmasını anlamak için atomistik modelleme yöntemleri (NAMD) kullanılmıştır. Yapılan çalışmalar ile altına bağlandığı bilinen peptitlerin bağlanma mekanizmaları ortaya çıkarılmış, buna ek olarak peptitlerin amino asit dizilimleri ve Au {111}-yüzeyleri ile bağlanma yapıları ve afiniteleri optimize edilerek peptit tasarlanmıştır.
Peptitlerin altın (Au) {111}-yüzeyi ile etkileşimlerinin incelenmesi
Proteinler ve peptitler, doğada yaşam için gerekli olan, metabolik reaksiyonları katalize etme, DNA replikasyonu, moleküler taşınım, yumuşak ve sert doku (kemik, diş) oluşumu da dahil olmak üzere çok çeşitli hayati işlevler ve süreçlerde yer alırlar. Günümüzde, protein ve peptitler biyonanoteknolojide inorganik malzemeler (Ag, SiO2, TiO2, Pd, Pt, grafene, hidroksiapatit, vb.) ile bütünleşmiş bir şekilde, biyosentez, biyoalgılayıcılar, ilaç taşınımı ve hedeflenmesi gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Burada, peptitlerin malzemelere spesifik olarak bağlanabilmeleri cihaz performanslarını etkilemektedir. Spesifik bağlanma peptitlerin amino asit sekanslarına ve dolayısı ile yapılarına bağlıdır. Günümüzde, inorganik malzemelere bağlanabilen peptitler doğadan esinlenerek ve/veya deneysel kombinatoryal seçim yöntemleri kullanılarak bulunmaktadır. Bu nedenlerle, inorganik malzemeler ile peptitler/proteinler arasındaki etkileşimlerin anlaşılması ve istenilen malzemeye özgü ve istenilen özelliklerde peptit/protein tasarımı teknolojik gelişim için çok önemlidir. Altın, iletken bir inorganiktir ve yüzey modifikasyonuna uygundur ve peptitlerle modifiye edildiğinde biyogörüntüleme, biyosensörler, kanser tedavisi ve ilaç taşınımı gibi pratik uygulamalarda kullanılabilir. Bu tez kapsamında, peptitlerin Au {111}-yüzeyi ile etkileşim mekanizmasını anlamak için atomistik modelleme yöntemleri (NAMD) kullanılmıştır. Yapılan çalışmalar ile altına bağlandığı bilinen peptitlerin bağlanma mekanizmaları ortaya çıkarılmış, buna ek olarak peptitlerin amino asit dizilimleri ve Au {111}-yüzeyleri ile bağlanma yapıları ve afiniteleri optimize edilerek peptit tasarlanmıştır.
Peptitlerin altın (Au) {111}-yüzeyi ile etkileşimlerinin incelenmesi
Proteinler ve peptitler, doğada yaşam için gerekli olan, metabolik reaksiyonları katalize etme, DNA replikasyonu, moleküler taşınım, yumuşak ve sert doku (kemik, diş) oluşumu da dahil olmak üzere çok çeşitli hayati işlevler ve süreçlerde yer alırlar. Günümüzde, protein ve peptitler biyonanoteknolojide inorganik malzemeler (Ag, SiO2, TiO2, Pd, Pt, grafene, hidroksiapatit, vb.) ile bütünleşmiş bir şekilde, biyosentez, biyoalgılayıcılar, ilaç taşınımı ve hedeflenmesi gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Burada, peptitlerin malzemelere spesifik olarak bağlanabilmeleri cihaz performanslarını etkilemektedir. Spesifik bağlanma peptitlerin amino asit sekanslarına ve dolayısı ile yapılarına bağlıdır. Günümüzde, inorganik malzemelere bağlanabilen peptitler doğadan esinlenerek ve/veya deneysel kombinatoryal seçim yöntemleri kullanılarak bulunmaktadır. Bu nedenlerle, inorganik malzemeler ile peptitler/proteinler arasındaki etkileşimlerin anlaşılması ve istenilen malzemeye özgü ve istenilen özelliklerde peptit/protein tasarımı teknolojik gelişim için çok önemlidir. Altın, iletken bir inorganiktir ve yüzey modifikasyonuna uygundur ve peptitlerle modifiye edildiğinde biyogörüntüleme, biyosensörler, kanser tedavisi ve ilaç taşınımı gibi pratik uygulamalarda kullanılabilir. Bu tez kapsamında, peptitlerin Au {111}-yüzeyi ile etkileşim mekanizmasını anlamak için atomistik modelleme yöntemleri (NAMD) kullanılmıştır. Yapılan çalışmalar ile altına bağlandığı bilinen peptitlerin bağlanma mekanizmaları ortaya çıkarılmış, buna ek olarak peptitlerin amino asit dizilimleri ve Au {111}-yüzeyleri ile bağlanma yapıları ve afiniteleri optimize edilerek peptit tasarlanmıştır.
DNA:RNA hibrit yapılardaki mutasyonların moleküler yapı ve elektriksel iletkenlik üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Kalıtımın temel taşlarını oluşturan genetik maddenin (DNA ve/veya RNA) saptanıp baz dizilimlerinin ortaya çıkarılması bakteri ve virüsler ile kanserli hücrelerin tespit edilerek belirlenmesini sağlar. Bu konu, başta klinik teşhis ve araştırma olmak üzere, gıda güvenliği, su ve çevre koruma, bitki ve hayvan patolojisi, ve biyo-güvenlik gibi birçok uygulama için son derece önemlidir. Günümüzde, biyoteknoloji ve nanoteknoloji alanlarında genetik maddenin hızlı ve doğru tespit edilebilmesi için yoğun çalışmalar yapılmaktadır. 2000'li yılların başında tek bir molekül üzerinden geçen elektrik akımının ölçülebileceğinin gösterilmesiyle molekülleri elektriksel iletkenlik ile ayırt etme fikri ortaya çıktı. Gerçekleştirilen deneysel ve teorik çalışmalar sonucunda, genetik maddenin tespiti için moleküler elektronik tabanlı bir biyonanoalgılayıcı kavramı geliştirildi. Atomik düzeyde elektrotlar kullanarak ölçülen elektrik akımlarındaki picoamper düzeyindeki değişimlerin analizi ile, attomolar (10-18 M) ölçeğinde DNA/RNA derişimine sahip çözeltilerde, genetik dizilimlerdeki tek bir baz değişimini (mutasyonu) bile belirleyebilen bir teknik geliştirildi. Bu tez kapsamında deneysel olarak iletkenlikleri ölçülen DNA:RNA hibritlerinin moleküler yapıları ve elektriksel özellikleri incelendi. Bunun için AMBER 16 programı kullanılarak moleküler dinamik yöntemleri ile DNA:RNA hibritlerinin üç boyutlu yapısı modellendi. Zaman içerisinde moleküler yapıda meydana gelen değişiklikler, hem DNA ve RNA sarmalları arasındaki hidrojen bağları hem de dizilim üzerindeki pürinler arası mesafeler hesaplanarak incelendi. Gaussian 09 programı kullanılarak kuantum mekaniksel (yoğunluk fonksiyonel teorisi) hesaplamaları gerçekleştirildi. Buradan elde edilen sonuçlar ile DNA:RNA hibritlerinin moleküler orbitalleri ve bant yapıları analiz edildi. Daha sonra her bir yapı için elektron iletim olasılıkları hesaplandı. Sonuç olarak, iletkenliğin üç boyutlu yapı ile doğrudan ilişkili olduğu gösterildi. Bu özellik sayesinde iletkenlik ölçümleri ile genetik maddenin tespit edilip baz dizilimlerinin belirlenebileceği bulundu. Bu tez kapsamında elde edilen bilgi birikimi ile hedef RNA bölgesi için prob DNA tasarımının önü açılmış olup, bu çalışmalar sonucunda ileride insan ve toplum sağlığına katkı sağlayacak yeni biyonanoalgılayıcı teknolojilerinin geliştirilmesi beklenmektedir
DNA:RNA hibrit yapılardaki mutasyonların moleküler yapı ve elektriksel iletkenlik üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Kalıtımın temel taşlarını oluşturan genetik maddenin (DNA ve/veya RNA) saptanıp baz dizilimlerinin ortaya çıkarılması bakteri ve virüsler ile kanserli hücrelerin tespit edilerek belirlenmesini sağlar. Bu konu, başta klinik teşhis ve araştırma olmak üzere, gıda güvenliği, su ve çevre koruma, bitki ve hayvan patolojisi, ve biyo-güvenlik gibi birçok uygulama için son derece önemlidir. Günümüzde, biyoteknoloji ve nanoteknoloji alanlarında genetik maddenin hızlı ve doğru tespit edilebilmesi için yoğun çalışmalar yapılmaktadır. 2000'li yılların başında tek bir molekül üzerinden geçen elektrik akımının ölçülebileceğinin gösterilmesiyle molekülleri elektriksel iletkenlik ile ayırt etme fikri ortaya çıktı. Gerçekleştirilen deneysel ve teorik çalışmalar sonucunda, genetik maddenin tespiti için moleküler elektronik tabanlı bir biyonanoalgılayıcı kavramı geliştirildi. Atomik düzeyde elektrotlar kullanarak ölçülen elektrik akımlarındaki picoamper düzeyindeki değişimlerin analizi ile, attomolar (10-18 M) ölçeğinde DNA/RNA derişimine sahip çözeltilerde, genetik dizilimlerdeki tek bir baz değişimini (mutasyonu) bile belirleyebilen bir teknik geliştirildi. Bu tez kapsamında deneysel olarak iletkenlikleri ölçülen DNA:RNA hibritlerinin moleküler yapıları ve elektriksel özellikleri incelendi. Bunun için AMBER 16 programı kullanılarak moleküler dinamik yöntemleri ile DNA:RNA hibritlerinin üç boyutlu yapısı modellendi. Zaman içerisinde moleküler yapıda meydana gelen değişiklikler, hem DNA ve RNA sarmalları arasındaki hidrojen bağları hem de dizilim üzerindeki pürinler arası mesafeler hesaplanarak incelendi. Gaussian 09 programı kullanılarak kuantum mekaniksel (yoğunluk fonksiyonel teorisi) hesaplamaları gerçekleştirildi. Buradan elde edilen sonuçlar ile DNA:RNA hibritlerinin moleküler orbitalleri ve bant yapıları analiz edildi. Daha sonra her bir yapı için elektron iletim olasılıkları hesaplandı. Sonuç olarak, iletkenliğin üç boyutlu yapı ile doğrudan ilişkili olduğu gösterildi. Bu özellik sayesinde iletkenlik ölçümleri ile genetik maddenin tespit edilip baz dizilimlerinin belirlenebileceği bulundu. Bu tez kapsamında elde edilen bilgi birikimi ile hedef RNA bölgesi için prob DNA tasarımının önü açılmış olup, bu çalışmalar sonucunda ileride insan ve toplum sağlığına katkı sağlayacak yeni biyonanoalgılayıcı teknolojilerinin geliştirilmesi beklenmektedir
DNA:RNA hibrit yapılardaki mutasyonların moleküler yapı ve elektriksel iletkenlik üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Kalıtımın temel taşlarını oluşturan genetik maddenin (DNA ve/veya RNA) saptanıp baz dizilimlerinin ortaya çıkarılması bakteri ve virüsler ile kanserli hücrelerin tespit edilerek belirlenmesini sağlar. Bu konu, başta klinik teşhis ve araştırma olmak üzere, gıda güvenliği, su ve çevre koruma, bitki ve hayvan patolojisi, ve biyo-güvenlik gibi birçok uygulama için son derece önemlidir. Günümüzde, biyoteknoloji ve nanoteknoloji alanlarında genetik maddenin hızlı ve doğru tespit edilebilmesi için yoğun çalışmalar yapılmaktadır. 2000'li yılların başında tek bir molekül üzerinden geçen elektrik akımının ölçülebileceğinin gösterilmesiyle molekülleri elektriksel iletkenlik ile ayırt etme fikri ortaya çıktı. Gerçekleştirilen deneysel ve teorik çalışmalar sonucunda, genetik maddenin tespiti için moleküler elektronik tabanlı bir biyonanoalgılayıcı kavramı geliştirildi. Atomik düzeyde elektrotlar kullanarak ölçülen elektrik akımlarındaki picoamper düzeyindeki değişimlerin analizi ile, attomolar (10-18 M) ölçeğinde DNA/RNA derişimine sahip çözeltilerde, genetik dizilimlerdeki tek bir baz değişimini (mutasyonu) bile belirleyebilen bir teknik geliştirildi. Bu tez kapsamında deneysel olarak iletkenlikleri ölçülen DNA:RNA hibritlerinin moleküler yapıları ve elektriksel özellikleri incelendi. Bunun için AMBER 16 programı kullanılarak moleküler dinamik yöntemleri ile DNA:RNA hibritlerinin üç boyutlu yapısı modellendi. Zaman içerisinde moleküler yapıda meydana gelen değişiklikler, hem DNA ve RNA sarmalları arasındaki hidrojen bağları hem de dizilim üzerindeki pürinler arası mesafeler hesaplanarak incelendi. Gaussian 09 programı kullanılarak kuantum mekaniksel (yoğunluk fonksiyonel teorisi) hesaplamaları gerçekleştirildi. Buradan elde edilen sonuçlar ile DNA:RNA hibritlerinin moleküler orbitalleri ve bant yapıları analiz edildi. Daha sonra her bir yapı için elektron iletim olasılıkları hesaplandı. Sonuç olarak, iletkenliğin üç boyutlu yapı ile doğrudan ilişkili olduğu gösterildi. Bu özellik sayesinde iletkenlik ölçümleri ile genetik maddenin tespit edilip baz dizilimlerinin belirlenebileceği bulundu. Bu tez kapsamında elde edilen bilgi birikimi ile hedef RNA bölgesi için prob DNA tasarımının önü açılmış olup, bu çalışmalar sonucunda ileride insan ve toplum sağlığına katkı sağlayacak yeni biyonanoalgılayıcı teknolojilerinin geliştirilmesi beklenmektedir
Kontrollü ilaç salım sistemlerinin modellenmesi ve tasarlanması
Günümüzde, kontrollü ilaç salımı yapabilen sistemlerin (ilaç molekülleri ile katkılanmış polimer tabanlı matrisler) tasarımı ve üretimi önemli bir bilimsel ve teknolojik araştırma konusu haline gelmiştir. Bu sistemlerin amacı; istenilen ilacın, vücutta istenilen bölgede, istenilen miktarda (terapötik) ve istenilen süre boyunca bulunmasını sağlamaktır. Bu tip ilaç salım sistemlerinin kullanımı konvansiyonel ilaçlara kıyasla birçok avantajlar içermektedir: Öncelikle, ağız yolu ile alınan konvansiyonel ilaçlarda ilaç moleküllerinin kan yolu ile vücudun her yerine iletilmesi (sistemik etki) sonucu karşılaşılan yan etkilerin kontrollü salım ile azaltılabileceği bilinmektedir. Buna ek olarak, ilacın tedavi dozunun ve tedavi süresinin ayarlanması bu tür sistemler ile çok daha kontrollü bir şekilde yapılabilmektedir. İstenilen kontrollü ilaç salım sistemlerinin tasarlanarak üretilebilmesi için bu sistemlerdeki ilaç salım kinetiğinin anlaşılması gerekmektedir. İlacın salım kinetiği, hastaya, vücutta uygulandığı bölgeye ve ilaç ve katkılandığı polimerin özelliklerine (türü, geometrisi, por yapısı, kristalleşme derecesi, moleküler ağırlığı, hidroliz hızı, su ve ilacın difüzyon katsayıları vb.) bağlıdır. İlaç salım kinetiğini kontrol eden mekanizmalar plazmanın (su) ilaç sistemi içerisine difüzyonu, ilaç moleküllerinin polimer matristen hidroliz ile ayrılması, serbest hale geçen ilaç moleküllerinin polimer matris içerisinde difüzyonu sonucu plazmaya geçişi ve vücutta bu ilaç moleküllerinin metabolize olması şeklinde özetlenebilir. Bu tez kapsamında, bu dört ana mekanizma yukarıda bahsedilen parametreleri içeren diferansiyel denklemler ve uygun sınır koşulları ile tanımlanmıştır. Bu diferansiyel denklem sistemleri çeşitli sayısal yöntemler ile 3-boyutlu uzayda çözülmüş ve sonuçta bir simülasyon programı ortaya çıkarılmıştır. Geliştirilen bu program kullanılarak gerçekleştirilen simülasyonlar ile hem farklı sistem parametrelerinin salım kinetiğine etkileri hem de bu parametrelerin birbirleriyle olan etkileşimleri incelenmiştir. Sonuçlar, kontrollü ilaç salım sistemlerinin tasarımında kullanılabilecek haritalar (faz diyagramları) olarak ortaya konulmuştur. Bu tez kapsamında elde edilen bu haritaların kullanılması ile istenilen süre boyunca terapötik etki gösteren ilaç sistemleri (ilaç ve polimer), şekil, boyut ve başlangıçta yüklenen ilaç miktarlarının uygun bir şekilde ayarlanmasıyla tasarlanabilecektir. Anahtar Kelimeler: Kontrollü ilaç salım sistemleri, Modelleme, Difüzyon, Üçlü diyagramlar, Simülasyon.
Kontrollü ilaç salım sistemlerinin modellenmesi ve tasarlanması
Günümüzde, kontrollü ilaç salımı yapabilen sistemlerin (ilaç molekülleri ile katkılanmış polimer tabanlı matrisler) tasarımı ve üretimi önemli bir bilimsel ve teknolojik araştırma konusu haline gelmiştir. Bu sistemlerin amacı; istenilen ilacın, vücutta istenilen bölgede, istenilen miktarda (terapötik) ve istenilen süre boyunca bulunmasını sağlamaktır. Bu tip ilaç salım sistemlerinin kullanımı konvansiyonel ilaçlara kıyasla birçok avantajlar içermektedir: Öncelikle, ağız yolu ile alınan konvansiyonel ilaçlarda ilaç moleküllerinin kan yolu ile vücudun her yerine iletilmesi (sistemik etki) sonucu karşılaşılan yan etkilerin kontrollü salım ile azaltılabileceği bilinmektedir. Buna ek olarak, ilacın tedavi dozunun ve tedavi süresinin ayarlanması bu tür sistemler ile çok daha kontrollü bir şekilde yapılabilmektedir. İstenilen kontrollü ilaç salım sistemlerinin tasarlanarak üretilebilmesi için bu sistemlerdeki ilaç salım kinetiğinin anlaşılması gerekmektedir. İlacın salım kinetiği, hastaya, vücutta uygulandığı bölgeye ve ilaç ve katkılandığı polimerin özelliklerine (türü, geometrisi, por yapısı, kristalleşme derecesi, moleküler ağırlığı, hidroliz hızı, su ve ilacın difüzyon katsayıları vb.) bağlıdır. İlaç salım kinetiğini kontrol eden mekanizmalar plazmanın (su) ilaç sistemi içerisine difüzyonu, ilaç moleküllerinin polimer matristen hidroliz ile ayrılması, serbest hale geçen ilaç moleküllerinin polimer matris içerisinde difüzyonu sonucu plazmaya geçişi ve vücutta bu ilaç moleküllerinin metabolize olması şeklinde özetlenebilir. Bu tez kapsamında, bu dört ana mekanizma yukarıda bahsedilen parametreleri içeren diferansiyel denklemler ve uygun sınır koşulları ile tanımlanmıştır. Bu diferansiyel denklem sistemleri çeşitli sayısal yöntemler ile 3-boyutlu uzayda çözülmüş ve sonuçta bir simülasyon programı ortaya çıkarılmıştır. Geliştirilen bu program kullanılarak gerçekleştirilen simülasyonlar ile hem farklı sistem parametrelerinin salım kinetiğine etkileri hem de bu parametrelerin birbirleriyle olan etkileşimleri incelenmiştir. Sonuçlar, kontrollü ilaç salım sistemlerinin tasarımında kullanılabilecek haritalar (faz diyagramları) olarak ortaya konulmuştur. Bu tez kapsamında elde edilen bu haritaların kullanılması ile istenilen süre boyunca terapötik etki gösteren ilaç sistemleri (ilaç ve polimer), şekil, boyut ve başlangıçta yüklenen ilaç miktarlarının uygun bir şekilde ayarlanmasıyla tasarlanabilecektir. Anahtar Kelimeler: Kontrollü ilaç salım sistemleri, Modelleme, Difüzyon, Üçlü diyagramlar, Simülasyon.
Kontrollü ilaç salım sistemlerinin modellenmesi ve tasarlanması
Günümüzde, kontrollü ilaç salımı yapabilen sistemlerin (ilaç molekülleri ile katkılanmış polimer tabanlı matrisler) tasarımı ve üretimi önemli bir bilimsel ve teknolojik araştırma konusu haline gelmiştir. Bu sistemlerin amacı; istenilen ilacın, vücutta istenilen bölgede, istenilen miktarda (terapötik) ve istenilen süre boyunca bulunmasını sağlamaktır. Bu tip ilaç salım sistemlerinin kullanımı konvansiyonel ilaçlara kıyasla birçok avantajlar içermektedir: Öncelikle, ağız yolu ile alınan konvansiyonel ilaçlarda ilaç moleküllerinin kan yolu ile vücudun her yerine iletilmesi (sistemik etki) sonucu karşılaşılan yan etkilerin kontrollü salım ile azaltılabileceği bilinmektedir. Buna ek olarak, ilacın tedavi dozunun ve tedavi süresinin ayarlanması bu tür sistemler ile çok daha kontrollü bir şekilde yapılabilmektedir. İstenilen kontrollü ilaç salım sistemlerinin tasarlanarak üretilebilmesi için bu sistemlerdeki ilaç salım kinetiğinin anlaşılması gerekmektedir. İlacın salım kinetiği, hastaya, vücutta uygulandığı bölgeye ve ilaç ve katkılandığı polimerin özelliklerine (türü, geometrisi, por yapısı, kristalleşme derecesi, moleküler ağırlığı, hidroliz hızı, su ve ilacın difüzyon katsayıları vb.) bağlıdır. İlaç salım kinetiğini kontrol eden mekanizmalar plazmanın (su) ilaç sistemi içerisine difüzyonu, ilaç moleküllerinin polimer matristen hidroliz ile ayrılması, serbest hale geçen ilaç moleküllerinin polimer matris içerisinde difüzyonu sonucu plazmaya geçişi ve vücutta bu ilaç moleküllerinin metabolize olması şeklinde özetlenebilir. Bu tez kapsamında, bu dört ana mekanizma yukarıda bahsedilen parametreleri içeren diferansiyel denklemler ve uygun sınır koşulları ile tanımlanmıştır. Bu diferansiyel denklem sistemleri çeşitli sayısal yöntemler ile 3-boyutlu uzayda çözülmüş ve sonuçta bir simülasyon programı ortaya çıkarılmıştır. Geliştirilen bu program kullanılarak gerçekleştirilen simülasyonlar ile hem farklı sistem parametrelerinin salım kinetiğine etkileri hem de bu parametrelerin birbirleriyle olan etkileşimleri incelenmiştir. Sonuçlar, kontrollü ilaç salım sistemlerinin tasarımında kullanılabilecek haritalar (faz diyagramları) olarak ortaya konulmuştur. Bu tez kapsamında elde edilen bu haritaların kullanılması ile istenilen süre boyunca terapötik etki gösteren ilaç sistemleri (ilaç ve polimer), şekil, boyut ve başlangıçta yüklenen ilaç miktarlarının uygun bir şekilde ayarlanmasıyla tasarlanabilecektir. Anahtar Kelimeler: Kontrollü ilaç salım sistemleri, Modelleme, Difüzyon, Üçlü diyagramlar, Simülasyon.
Moleküler katkılamaların DNA'nın moleküler yapısı ve elektriksel iletkenliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Tek bir molekülün üzerinden geçen elektrik akımı ölçülebildiği zamandan bu yana moleküler elektronik alanında çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmaların genel amacı, yeni nesil entegre devrelerde kullanılmak üzere elektronik cihazların işlem hızını ve hafızasını arttırmaya yönelik geliştirilecek teknolojiler için bilgi birikimi oluşturmaktır. Bu tez kapsamında bahsedilen bilgi birikimine katkı sağlamak amacıyla, moleküler katkılamaların DNA'nın moleküler yapısı ve elektriksel iletkenliği üzerindeki etkileri incelendi. DNA'yı moleküler olarak katkılamanın en bilinen yolu DNA'yı hedefleyen antikanser, antiparaziter ve antibiyotik ilaçları kullanmaktadır. Bu tez kapsamında sensör teknolojisine ve ilaç-DNA etkileşimlerinin anlaşılmasına da katkı sağlamak amacıyla moleküler katkılamalar ilaç molekülleriyle yapılmıştır. Moleküler yapı incelemeleri için AMBER 16 programı kullanılarak moleküler dinamik simülasyonları yapıldı. Simülasyon süresince meydana gelen değişimleri incelemek adına; yapıların referans formlara benzerlikleri, DNA'nın baz çiftleri arasındaki hidrojen bağları ve DNA dizilimindeki pürinler arası mesafeler hesaplandı. Kümeleme algoritması kullanılarak her simülasyonu temsil eden bir temsilci yapı seçildi. Temsilci yapının kuantum mekaniksel özellikleri DFT yardımıyla hesaplanırken Gaussian 09 programı kullanıldı. Elde edilen sonuçlar v kullanılarak yapıların bant diyagramları elde edildi. Ardından her yapı için yük taşınım olasılıkları hesaplandı. Yapılan çalışmalar sonucunda, farklı moleküler katkılamaların DNA'nın moleküler yapısını ve elektriksel iletkenliğini farklı etkilediği gösterildi. Tez kapsamında yapılan çalışmanın moleküler elektronik alanında katkı sağlamasının yanı sıra ilaç testi adı verilen ölçümler için ileride geliştirilebilecek sensör teknolojilerine de katkı sağlaması beklenmektedir.
Proteinlerin mutasyon haritalarının çıkarılarak evrimsel değişimlerinin tahmin edilmesi: Örnek olay incelemesi olarak nöraminidaz proteini (H1N1 virüsü)
Tarih boyunca virüsler ve bakteriler dünyada birçok insanın yaşamını yitirmesine sebep olmuştur. Penisilinin bulunması ve sonrasında geliştirilen antibiyotik ve antiviral ilaçlar ile ölümler büyük oranda azaltılabilmiştir. Ancak, 1960'lı yıllardan itibaren bazı virüs ve bakterilerin ilaçlara karşı direnç gösterdikleri gözlenmektedir. Bu virüslere ve bakterilere karşı ilaçların etkinliği azalmakta hatta bazı ilaçlar hiç etki gösterememektedir. Bir ilaç tasarımı ve üretimi için uzun bir süreye ihtiyaç vardır ve bu süre içerisinde değişime uğramış virüslere karşı önlem alınması zor olmaktadır. Bu nedenle virüslerin evrimsel süreçlerinin anlaşılması, ileride karşılaşılabilecek tehlikeli (ilaçlardan etkilenmeyen) virüslere karşı önlem almak büyük bir önem taşımaktadır. Virüslerin evrimsel değişimi genetik materyallerinde gerçekleşen mutasyonlar yani değişimlerle meydana gelmektedir. Genetik materyalde (DNA ya da RNA) gerçekleşen mutasyonlar, proteinlerin yapılarında değişikliğe sebep olabilmektedir. Proteinlerin amino asit dizilimlerindeki değişiklikleri tanımlamak için oluşturulmuş skorlama fonksiyonları vardır. Bu tezde farklı skorlama fonksiyonları biyolojik ve matematiksel özellikleri ile birlikte açıklanmakta ve birbirleri arasındaki ilişkiler yorumlanmaktadır. Bu bilgiden yararlanarak evrimsel süreçte oluşabilecek olası sekansların tahmin yöntemlerinden bahsedilmektedir. Örnek olay incelemesi olarak birçok ölüme sebep olan domuz gribi virüsü H1N1 kullanılmaktadır. İleride oluşabilecek protein sekanslarını/yapılarını tahmin etmek, antiviral ilaçlara karşı direnç mekanizmalarını anlamak ve yeni ilaç tasarlamak için yol gösterecektir.
Proteinlerin mutasyon haritalarının çıkarılarak evrimsel değişimlerinin tahmin edilmesi: Örnek olay incelemesi olarak nöraminidaz proteini (H1N1 virüsü)
Tarih boyunca virüsler ve bakteriler dünyada birçok insanın yaşamını yitirmesine sebep olmuştur. Penisilinin bulunması ve sonrasında geliştirilen antibiyotik ve antiviral ilaçlar ile ölümler büyük oranda azaltılabilmiştir. Ancak, 1960'lı yıllardan itibaren bazı virüs ve bakterilerin ilaçlara karşı direnç gösterdikleri gözlenmektedir. Bu virüslere ve bakterilere karşı ilaçların etkinliği azalmakta hatta bazı ilaçlar hiç etki gösterememektedir. Bir ilaç tasarımı ve üretimi için uzun bir süreye ihtiyaç vardır ve bu süre içerisinde değişime uğramış virüslere karşı önlem alınması zor olmaktadır. Bu nedenle virüslerin evrimsel süreçlerinin anlaşılması, ileride karşılaşılabilecek tehlikeli (ilaçlardan etkilenmeyen) virüslere karşı önlem almak büyük bir önem taşımaktadır. Virüslerin evrimsel değişimi genetik materyallerinde gerçekleşen mutasyonlar yani değişimlerle meydana gelmektedir. Genetik materyalde (DNA ya da RNA) gerçekleşen mutasyonlar, proteinlerin yapılarında değişikliğe sebep olabilmektedir. Proteinlerin amino asit dizilimlerindeki değişiklikleri tanımlamak için oluşturulmuş skorlama fonksiyonları vardır. Bu tezde farklı skorlama fonksiyonları biyolojik ve matematiksel özellikleri ile birlikte açıklanmakta ve birbirleri arasındaki ilişkiler yorumlanmaktadır. Bu bilgiden yararlanarak evrimsel süreçte oluşabilecek olası sekansların tahmin yöntemlerinden bahsedilmektedir. Örnek olay incelemesi olarak birçok ölüme sebep olan domuz gribi virüsü H1N1 kullanılmaktadır. İleride oluşabilecek protein sekanslarını/yapılarını tahmin etmek, antiviral ilaçlara karşı direnç mekanizmalarını anlamak ve yeni ilaç tasarlamak için yol gösterecektir.
Proteinlerin mutasyon haritalarının çıkarılarak evrimsel değişimlerinin tahmin edilmesi: Örnek olay incelemesi olarak nöraminidaz proteini (H1N1 virüsü)
Tarih boyunca virüsler ve bakteriler dünyada birçok insanın yaşamını yitirmesine sebep olmuştur. Penisilinin bulunması ve sonrasında geliştirilen antibiyotik ve antiviral ilaçlar ile ölümler büyük oranda azaltılabilmiştir. Ancak, 1960'lı yıllardan itibaren bazı virüs ve bakterilerin ilaçlara karşı direnç gösterdikleri gözlenmektedir. Bu virüslere ve bakterilere karşı ilaçların etkinliği azalmakta hatta bazı ilaçlar hiç etki gösterememektedir. Bir ilaç tasarımı ve üretimi için uzun bir süreye ihtiyaç vardır ve bu süre içerisinde değişime uğramış virüslere karşı önlem alınması zor olmaktadır. Bu nedenle virüslerin evrimsel süreçlerinin anlaşılması, ileride karşılaşılabilecek tehlikeli (ilaçlardan etkilenmeyen) virüslere karşı önlem almak büyük bir önem taşımaktadır. Virüslerin evrimsel değişimi genetik materyallerinde gerçekleşen mutasyonlar yani değişimlerle meydana gelmektedir. Genetik materyalde (DNA ya da RNA) gerçekleşen mutasyonlar, proteinlerin yapılarında değişikliğe sebep olabilmektedir. Proteinlerin amino asit dizilimlerindeki değişiklikleri tanımlamak için oluşturulmuş skorlama fonksiyonları vardır. Bu tezde farklı skorlama fonksiyonları biyolojik ve matematiksel özellikleri ile birlikte açıklanmakta ve birbirleri arasındaki ilişkiler yorumlanmaktadır. Bu bilgiden yararlanarak evrimsel süreçte oluşabilecek olası sekansların tahmin yöntemlerinden bahsedilmektedir. Örnek olay incelemesi olarak birçok ölüme sebep olan domuz gribi virüsü H1N1 kullanılmaktadır. İleride oluşabilecek protein sekanslarını/yapılarını tahmin etmek, antiviral ilaçlara karşı direnç mekanizmalarını anlamak ve yeni ilaç tasarlamak için yol gösterecektir.
Nöraminidaz-oseltamivir etkileşiminin homoloji modellemesi, moleküler kenetleme ve moleküler dinamik teknikleri ile analizi
Yeni bir ilaç molekülünün tasarlanması, sentezlenmesi ve onaylanıp piyasaya sürülmesi yıllar süren ve milyarca dolarlık maliyet gerektiren bir süreçtir. Bu sürecin hızlandırılması ve maliyetin azaltılması için bilgisayar destekli ilaç tasarımı çalışmaları kullanılmaya başlanmıştır. Bilgisayar destekli ilaç tasarımı, ligand ile protein arasındaki bağlanma kinetiği ve ligandın bağlanma bölgesi bilgilerine dayanarak potansiyel ilaç moleküllerini belirlemek için kullanılır. Bu tez kapsamında örnek olay incelemesi olarak influenza A virüsü seçilmiş ve bu virüs üzerinde bir yüzey proteini olan Nöraminidaz (NA) proteini kullanılmıştır. Mevsimsel H1N1 influenza A virüsü, insan sağlığını olumsuz yönde en çok etkileyen virüslerden bir tanesidir ve her yıl ciddi oranda hastalık ve ölüme neden olmaktadır. Günümüz dünyasındaki jenerik antiviral ilaçlar (oseltamivir (OTV), zanamivir (ZMR), peramivir (PRV) ve laninamivir (LNR)), Nöraminidaz enziminin aktivitesini engellemek üzere tasarlanmıştır. Ancak, virüslerde meydana gelen mutasyonlar, virüslerin ilaçlara karşı direnç kazanmalarına ve bu nedenle antiviral ilaçların etkilerini yitirmelerine neden olabilmektedir. Bu nedenle, ilaçların hedef aldığı yapılardaki direnç mekanizmalarının anlaşılması, günümüzde kullanılan ilaçların verimliliğini belirleyebilmek ve yeni ilaç tasarımları yapabilmek için büyük önem taşımaktadır. Bu amaç doğrultusunda, çalışmada öncelikle, ilaç direnci gösterdiği bilinen mutant NA proteinlerinin, kristal yapısı mevcutsa PDB (Protein Data Bank)'den, kristal yapısı mevcut değilse de homoloji modellemesi ile moleküler yapıları elde edilmiştir. Daha sonra, protein-ligand etkileşimlerini gözlemlemek amacıyla bu yapılar kullanılarak NA ve ilaç molekülü için moleküler yerleştirme (docking) çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar ile, ilaç moleküllerinin NA proteini üzerindeki bağlanma bölgesi ve konformasyonları belirlenmiş ve mevcut deneysel kristal yapılarla karşılaştırmaları yapılmıştır. Son olarak, şemsiye örneklemesi (umbrella sampling) yöntemi ile, ligand ile kompleks halinde kristal yapısı bilinen NA'lar kullanılarak ligandın proteinden minimum enerjiye sahip yolaklar üzerinden uzaklaştırılması sırasındaki kuvvetler hesaplanmış, deneysel ve diğer hesaplamalı yöntemlerle karşılaştırmalar yapılmıştır. Böylelikle, bilgisayar destekli çalışmalar kullanılarak bir protein-ligand sistemi için gerçek hayata en yakın ve doğru sonuçları veren yöntem ve simülasyon parametreleri belirlenmiştir. Bu çalışmaların, ilaçların etki mekanizmalarının anlaşılmasında ne tür bilgisayar destekli yöntemlerin kullanılması gerektiği konusunda yol göstererek, olası mutasyonlar sonucunda karşılaşılan yeni tip virüslere var olan ilaçların etkilerinin belirlenmesinde ve/veya yeni ilaçların geliştirilmesinde yardımcı olması beklenmektedir.
Nöraminidaz-oseltamivir etkileşiminin homoloji modellemesi, moleküler kenetleme ve moleküler dinamik teknikleri ile analizi
Yeni bir ilaç molekülünün tasarlanması, sentezlenmesi ve onaylanıp piyasaya sürülmesi yıllar süren ve milyarca dolarlık maliyet gerektiren bir süreçtir. Bu sürecin hızlandırılması ve maliyetin azaltılması için bilgisayar destekli ilaç tasarımı çalışmaları kullanılmaya başlanmıştır. Bilgisayar destekli ilaç tasarımı, ligand ile protein arasındaki bağlanma kinetiği ve ligandın bağlanma bölgesi bilgilerine dayanarak potansiyel ilaç moleküllerini belirlemek için kullanılır. Bu tez kapsamında örnek olay incelemesi olarak influenza A virüsü seçilmiş ve bu virüs üzerinde bir yüzey proteini olan Nöraminidaz (NA) proteini kullanılmıştır. Mevsimsel H1N1 influenza A virüsü, insan sağlığını olumsuz yönde en çok etkileyen virüslerden bir tanesidir ve her yıl ciddi oranda hastalık ve ölüme neden olmaktadır. Günümüz dünyasındaki jenerik antiviral ilaçlar (oseltamivir (OTV), zanamivir (ZMR), peramivir (PRV) ve laninamivir (LNR)), Nöraminidaz enziminin aktivitesini engellemek üzere tasarlanmıştır. Ancak, virüslerde meydana gelen mutasyonlar, virüslerin ilaçlara karşı direnç kazanmalarına ve bu nedenle antiviral ilaçların etkilerini yitirmelerine neden olabilmektedir. Bu nedenle, ilaçların hedef aldığı yapılardaki direnç mekanizmalarının anlaşılması, günümüzde kullanılan ilaçların verimliliğini belirleyebilmek ve yeni ilaç tasarımları yapabilmek için büyük önem taşımaktadır. Bu amaç doğrultusunda, çalışmada öncelikle, ilaç direnci gösterdiği bilinen mutant NA proteinlerinin, kristal yapısı mevcutsa PDB (Protein Data Bank)'den, kristal yapısı mevcut değilse de homoloji modellemesi ile moleküler yapıları elde edilmiştir. Daha sonra, protein-ligand etkileşimlerini gözlemlemek amacıyla bu yapılar kullanılarak NA ve ilaç molekülü için moleküler yerleştirme (docking) çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar ile, ilaç moleküllerinin NA proteini üzerindeki bağlanma bölgesi ve konformasyonları belirlenmiş ve mevcut deneysel kristal yapılarla karşılaştırmaları yapılmıştır. Son olarak, şemsiye örneklemesi (umbrella sampling) yöntemi ile, ligand ile kompleks halinde kristal yapısı bilinen NA'lar kullanılarak ligandın proteinden minimum enerjiye sahip yolaklar üzerinden uzaklaştırılması sırasındaki kuvvetler hesaplanmış, deneysel ve diğer hesaplamalı yöntemlerle karşılaştırmalar yapılmıştır. Böylelikle, bilgisayar destekli çalışmalar kullanılarak bir protein-ligand sistemi için gerçek hayata en yakın ve doğru sonuçları veren yöntem ve simülasyon parametreleri belirlenmiştir. Bu çalışmaların, ilaçların etki mekanizmalarının anlaşılmasında ne tür bilgisayar destekli yöntemlerin kullanılması gerektiği konusunda yol göstererek, olası mutasyonlar sonucunda karşılaşılan yeni tip virüslere var olan ilaçların etkilerinin belirlenmesinde ve/veya yeni ilaçların geliştirilmesinde yardımcı olması beklenmektedir.
Nöraminidaz-oseltamivir etkileşiminin homoloji modellemesi, moleküler kenetleme ve moleküler dinamik teknikleri ile analizi
Yeni bir ilaç molekülünün tasarlanması, sentezlenmesi ve onaylanıp piyasaya sürülmesi yıllar süren ve milyarca dolarlık maliyet gerektiren bir süreçtir. Bu sürecin hızlandırılması ve maliyetin azaltılması için bilgisayar destekli ilaç tasarımı çalışmaları kullanılmaya başlanmıştır. Bilgisayar destekli ilaç tasarımı, ligand ile protein arasındaki bağlanma kinetiği ve ligandın bağlanma bölgesi bilgilerine dayanarak potansiyel ilaç moleküllerini belirlemek için kullanılır. Bu tez kapsamında örnek olay incelemesi olarak influenza A virüsü seçilmiş ve bu virüs üzerinde bir yüzey proteini olan Nöraminidaz (NA) proteini kullanılmıştır. Mevsimsel H1N1 influenza A virüsü, insan sağlığını olumsuz yönde en çok etkileyen virüslerden bir tanesidir ve her yıl ciddi oranda hastalık ve ölüme neden olmaktadır. Günümüz dünyasındaki jenerik antiviral ilaçlar (oseltamivir (OTV), zanamivir (ZMR), peramivir (PRV) ve laninamivir (LNR)), Nöraminidaz enziminin aktivitesini engellemek üzere tasarlanmıştır. Ancak, virüslerde meydana gelen mutasyonlar, virüslerin ilaçlara karşı direnç kazanmalarına ve bu nedenle antiviral ilaçların etkilerini yitirmelerine neden olabilmektedir. Bu nedenle, ilaçların hedef aldığı yapılardaki direnç mekanizmalarının anlaşılması, günümüzde kullanılan ilaçların verimliliğini belirleyebilmek ve yeni ilaç tasarımları yapabilmek için büyük önem taşımaktadır. Bu amaç doğrultusunda, çalışmada öncelikle, ilaç direnci gösterdiği bilinen mutant NA proteinlerinin, kristal yapısı mevcutsa PDB (Protein Data Bank)'den, kristal yapısı mevcut değilse de homoloji modellemesi ile moleküler yapıları elde edilmiştir. Daha sonra, protein-ligand etkileşimlerini gözlemlemek amacıyla bu yapılar kullanılarak NA ve ilaç molekülü için moleküler yerleştirme (docking) çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar ile, ilaç moleküllerinin NA proteini üzerindeki bağlanma bölgesi ve konformasyonları belirlenmiş ve mevcut deneysel kristal yapılarla karşılaştırmaları yapılmıştır. Son olarak, şemsiye örneklemesi (umbrella sampling) yöntemi ile, ligand ile kompleks halinde kristal yapısı bilinen NA'lar kullanılarak ligandın proteinden minimum enerjiye sahip yolaklar üzerinden uzaklaştırılması sırasındaki kuvvetler hesaplanmış, deneysel ve diğer hesaplamalı yöntemlerle karşılaştırmalar yapılmıştır. Böylelikle, bilgisayar destekli çalışmalar kullanılarak bir protein-ligand sistemi için gerçek hayata en yakın ve doğru sonuçları veren yöntem ve simülasyon parametreleri belirlenmiştir. Bu çalışmaların, ilaçların etki mekanizmalarının anlaşılmasında ne tür bilgisayar destekli yöntemlerin kullanılması gerektiği konusunda yol göstererek, olası mutasyonlar sonucunda karşılaşılan yeni tip virüslere var olan ilaçların etkilerinin belirlenmesinde ve/veya yeni ilaçların geliştirilmesinde yardımcı olması beklenmektedir.
Çevresel faktörlerin DNA'nın moleküler yapısı ve elektriksel iletkenliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Günümüzde bilgisayar teknolojilerinde yarı iletken silisyum tabanlı malzemeler kullanılmaktadır. Moore kuralı günümüze kadar geçerliliğini büyük ölçüde korumuş ve 1947'den bu yana her iki yılda bir aynı alandaki transistör yoğunluğunun iki katına çıktığı gözlenmiştir. Ancak, bu sistemlerde devrelerin boyutları küçüldükçe silisyumun malzeme özellikleri nedeni ile gerekli araştırma ve deneysel geliştirme süreleri ve maliyetleri artmaktadır. Moleküler elektronik DNA, RNA, peptit ve karbon nanotüp gibi yapı taşları kullanılarak elektronik cihazların tasarımı ve üretimidir. Burada amaç silisyum tabanlı entegre devrelere entegre olabilecek veya bu devrelerin yerini alabilecek, boyutsal küçülmenin devamını sağlayacak yeni sistemlerin üretilmesidir. Bunun başarılabilmesi çok sayıda farklı moleküler sistemin yapısal kararlılığı ile elektronik bant yapısının ve elektron taşınım mekanizmasının anlaşılmasına bağlıdır. Canlılarda genetik bilginin taşıyıcısı olan DNA, sahip olduğu özgün elektronik özellikler sayesinde moleküler elektronik için önemli bir çalışma alanıdır. DNA'nın elektrik iletkenliğinin anlaşılması ve kontrol edilebilmesi için giderek artan sayıda teorik ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Çevresel, yapısal ve kimyasal faktörler DNA'nın moleküler yapısı, dolayısıyla iletkenliği üzerinde son derecede etkilidir. DNA, sarmaldaki dönüş başına baz (nükleotit) sayısı, bazlar arası uzaklık, baz çiftleri arasındaki dikey uzaklık ve sarmalın helisel çapına göre farklı formlarda bulunmaktadır. Bu formlar arasında en yaygın olan iki tür A DNA ve B DNA olarak adlandırılır ve bu formların farklı elektriksel özellikler gösterdiği bilinmektedir. DNA'nın hangi formda bulunacağı içinde bulunduğu çözeltinin özelliklerine (etanol ve tuz konsantrosyonu) bağlıdır. Bu tez kapsamında DNA'nın farklı etanol ve tuz konsantrasyonlarında hangi yapılara sahip olduğu moleküler dinamik yöntemleri (AMBER 16) ile araştırılmıştır. Elde edilen simülasyonlardan temsilci yapılar seçilerek bu yapılardaki yük taşınım özellikleri kuantum mekanik teknikler (yoğunluk fonksiyonel teorisi) ile hesaplanmıştır. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, çözeltideki etanol ve tuz konsantrasyonlarına bağlı olarak DNA'nın hangi kararlı yapılara sahip olduğu ve bu kararlı yapıların elektriksel iletim özellikleri belirlenmiştir.
Çevresel faktörlerin DNA'nın moleküler yapısı ve elektriksel iletkenliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Günümüzde bilgisayar teknolojilerinde yarı iletken silisyum tabanlı malzemeler kullanılmaktadır. Moore kuralı günümüze kadar geçerliliğini büyük ölçüde korumuş ve 1947'den bu yana her iki yılda bir aynı alandaki transistör yoğunluğunun iki katına çıktığı gözlenmiştir. Ancak, bu sistemlerde devrelerin boyutları küçüldükçe silisyumun malzeme özellikleri nedeni ile gerekli araştırma ve deneysel geliştirme süreleri ve maliyetleri artmaktadır. Moleküler elektronik DNA, RNA, peptit ve karbon nanotüp gibi yapı taşları kullanılarak elektronik cihazların tasarımı ve üretimidir. Burada amaç silisyum tabanlı entegre devrelere entegre olabilecek veya bu devrelerin yerini alabilecek, boyutsal küçülmenin devamını sağlayacak yeni sistemlerin üretilmesidir. Bunun başarılabilmesi çok sayıda farklı moleküler sistemin yapısal kararlılığı ile elektronik bant yapısının ve elektron taşınım mekanizmasının anlaşılmasına bağlıdır. Canlılarda genetik bilginin taşıyıcısı olan DNA, sahip olduğu özgün elektronik özellikler sayesinde moleküler elektronik için önemli bir çalışma alanıdır. DNA'nın elektrik iletkenliğinin anlaşılması ve kontrol edilebilmesi için giderek artan sayıda teorik ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Çevresel, yapısal ve kimyasal faktörler DNA'nın moleküler yapısı, dolayısıyla iletkenliği üzerinde son derecede etkilidir. DNA, sarmaldaki dönüş başına baz (nükleotit) sayısı, bazlar arası uzaklık, baz çiftleri arasındaki dikey uzaklık ve sarmalın helisel çapına göre farklı formlarda bulunmaktadır. Bu formlar arasında en yaygın olan iki tür A DNA ve B DNA olarak adlandırılır ve bu formların farklı elektriksel özellikler gösterdiği bilinmektedir. DNA'nın hangi formda bulunacağı içinde bulunduğu çözeltinin özelliklerine (etanol ve tuz konsantrosyonu) bağlıdır. Bu tez kapsamında DNA'nın farklı etanol ve tuz konsantrasyonlarında hangi yapılara sahip olduğu moleküler dinamik yöntemleri (AMBER 16) ile araştırılmıştır. Elde edilen simülasyonlardan temsilci yapılar seçilerek bu yapılardaki yük taşınım özellikleri kuantum mekanik teknikler (yoğunluk fonksiyonel teorisi) ile hesaplanmıştır. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, çözeltideki etanol ve tuz konsantrasyonlarına bağlı olarak DNA'nın hangi kararlı yapılara sahip olduğu ve bu kararlı yapıların elektriksel iletim özellikleri belirlenmiştir.
Çevresel faktörlerin DNA'nın moleküler yapısı ve elektriksel iletkenliği üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Günümüzde bilgisayar teknolojilerinde yarı iletken silisyum tabanlı malzemeler kullanılmaktadır. Moore kuralı günümüze kadar geçerliliğini büyük ölçüde korumuş ve 1947'den bu yana her iki yılda bir aynı alandaki transistör yoğunluğunun iki katına çıktığı gözlenmiştir. Ancak, bu sistemlerde devrelerin boyutları küçüldükçe silisyumun malzeme özellikleri nedeni ile gerekli araştırma ve deneysel geliştirme süreleri ve maliyetleri artmaktadır. Moleküler elektronik DNA, RNA, peptit ve karbon nanotüp gibi yapı taşları kullanılarak elektronik cihazların tasarımı ve üretimidir. Burada amaç silisyum tabanlı entegre devrelere entegre olabilecek veya bu devrelerin yerini alabilecek, boyutsal küçülmenin devamını sağlayacak yeni sistemlerin üretilmesidir. Bunun başarılabilmesi çok sayıda farklı moleküler sistemin yapısal kararlılığı ile elektronik bant yapısının ve elektron taşınım mekanizmasının anlaşılmasına bağlıdır. Canlılarda genetik bilginin taşıyıcısı olan DNA, sahip olduğu özgün elektronik özellikler sayesinde moleküler elektronik için önemli bir çalışma alanıdır. DNA'nın elektrik iletkenliğinin anlaşılması ve kontrol edilebilmesi için giderek artan sayıda teorik ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Çevresel, yapısal ve kimyasal faktörler DNA'nın moleküler yapısı, dolayısıyla iletkenliği üzerinde son derecede etkilidir. DNA, sarmaldaki dönüş başına baz (nükleotit) sayısı, bazlar arası uzaklık, baz çiftleri arasındaki dikey uzaklık ve sarmalın helisel çapına göre farklı formlarda bulunmaktadır. Bu formlar arasında en yaygın olan iki tür A DNA ve B DNA olarak adlandırılır ve bu formların farklı elektriksel özellikler gösterdiği bilinmektedir. DNA'nın hangi formda bulunacağı içinde bulunduğu çözeltinin özelliklerine (etanol ve tuz konsantrosyonu) bağlıdır. Bu tez kapsamında DNA'nın farklı etanol ve tuz konsantrasyonlarında hangi yapılara sahip olduğu moleküler dinamik yöntemleri (AMBER 16) ile araştırılmıştır. Elde edilen simülasyonlardan temsilci yapılar seçilerek bu yapılardaki yük taşınım özellikleri kuantum mekanik teknikler (yoğunluk fonksiyonel teorisi) ile hesaplanmıştır. Sonuç olarak, bu tez kapsamında, çözeltideki etanol ve tuz konsantrasyonlarına bağlı olarak DNA'nın hangi kararlı yapılara sahip olduğu ve bu kararlı yapıların elektriksel iletim özellikleri belirlenmiştir.