Immobilization of proteins on zeolite and zeo-type materials for biosensor applications based on conductometric biosensors and ion sensitive field effect transistors
Kondüktometrik ve iyon seçici alan etkili transistör tipli biyosensör uygulamalarında kullanılmak üzere proteinlerin zeolit ve zeolit benzeri malzemeler üzerine immobilizasyonu
- Tez No: 286260
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. BURCU AKATA KURÇ, YRD. DOÇ. DR. CAN ÖZEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 170
Özet
Son yıllarda, protein ve nano malzemeler arasındaki ilişkinin daha iyi anlaşılabilmesi amacıyla, proteinlerin inorganik malzemeler üzerine immobilizasyonu oldukça önem kazanmıştır. Protein-nanomalzeme ilişkisinin daha ayrıntılı anlaşılmasıyla, ileri biyoteknolojik araştırmalarda kullanılmak üzere, istenilen uygulamaya göre fiziksel ve kimyasal değişikliklerin yapılabildiği ideal yüzeylerin üretilmesi mümkündür. Geniş ve temiz yüzeyleri, değiştirilebilir yüzey özellikleri ve sıvıda dağılabilme gibi özellikleri sebebiyle zeolite ve zeolite benzeri malzemeler, literatürde bu amaçla sıkça kullanılan inorganik malzemeler arasındadır. Bu özellikler zeolitleri, proteinlerin bağlanması ve biyosensör cihazlarında kullanılmaları amacıyla alternatif birer malzeme haline getirmektedirler.Bu çalışmada, kondüktometrik ve iyon seçici alan etkili transistörlerde, zeolit ve benzeri malzemeler ile modifiye edilen biyosensor elektrotlarının üre, glukoz ve bütirilkolin saptamasında kullanılması amaçlanmıştır. Sistemin optimizasyonu, modifiye edilmiş elektrotlara bağlanan enzimlerin aktiviteleri, çalışma ve saklanma stabilitleri ile inhibisyon davranışları araştırılmış ve zeolite ile modifiye edilmemiş biyosensörlerden alınan sonuçlar ile karşılaşıtırılmıştır. Bu çalışmada, değişik bir modifikasyon tekniği olarak Zeolit Membran Elektrotları (ZMT), Standart Membrane Elektrotları (SMT) ile ilk defa olarak karşılaştırılmıştır. Bulduğumuz bilgiler ışığında, silikalit örnekleri ile modifiye edilmiş üre elektrotları ve amonyum ile katyon değişimi yapılmış zeolite Beta parçacıkları ile modifiye edilmiş glukoz elektrotları en düşük saptama limiti ve en yüksek enzimatik aktivite ile en iyi çalışan kondüktometrik elektrotlar olmuşlardır. Ayrıca, bahsi geçen elektrotlar, yüksek çalışma ve saklama stabilitesi de göstererek, kondüktometrik biyosensörlerde zeolitlerin performans arttırıcı etkisinini gözler önüne sermiştir.Kondüktometrik biyosensörlere ek olarak, urease ve bütirilkolinesteraz içeren iyon seçici alan etkili transistor (ISFET) tipli biyosensörlerin analitik özellikleri de zeolite ve zeolite benzeri malzemeler kullanılarak araştırılmıştır. Bu nedenle, ISFET elektrotları değişik sıcaklık derecelerinde kalsine edilmiş zeolite Beta örnekleriyle modifiye edilmişlerdir. Bu sayede zeolitin yüzey hidroksil grupları ve Brønsted asit bölgelerinde meydana getirilecek değişikliğin biyosensor performansına etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Yalnızca zeolitin yüzey gruplarının etkisini görebilmek amacıyla, Si/Al oranı 17 olan zeolit Beta örnekleri farklı sıcaklıklarda kalsine edilmiştir. Bu şekilde, sadece yüzeydeki hidroksil grupları ve Brønsted asit bölgeleri FTIR karakterizasyonu ile de gösterildiği üzere değiştirilmiş ve diğer özellikler, Si/Al oranı, gözenek hacmi, gözenek boyutu, zeolit tipi vs, üzerinde herhangi bir değişiklik yapılmamıştır. Bu sayede zeolitin yüzey grupları ve asitliğinin, üre ve bütirilkolin biyosensörleri üzerindeki etkisinin daha iyi anlaşılabilmesi sağlanmaya çalışılmıştır. Kalsine edilmiş zeolit Beta ile modifiye edilmiş biyonsensörlerde 2 ila 3 kata kadar daha yüksek aktivite saptanmıştır. Ayrıca biyosensörlerin stabilitesinin de oldukça yüksek olduğu ve inhibisyon analizlerinde de başarılı bir şekilde kullanılabilecekleri saptanmıştır. ISFET ve FTIR yöntemlerinden ortak olarak elde edilen verilere göre, üre ve bütirilkolin biyosensörleri, zeolit Beta malzemelerindeki asidik grupların değişmesine paralel olarak bir gelişim göstermişlerdir. Biyosensör performansı üzerinde yüzey hidroksil gruplarının tam olarak bir etkisi gözlenememiştir. Bu çalışma, Brønsted asit gruplarının ISFET tip biyosensör performansını etkilediğini gösteren ilk çalışma olmuştur.Yukarıdaki çalışmalara ek olarak, ISFET elektrotları 70 nm boyutunda ve farklı Si/Al oranı, parçacık boyutu ve yüzey yüküne sahip zeolite Beta kristalleri ve farklı gözenek boyutuna sahip zeolit benzeri malzemeler ile modifiye edilmiş ve nano boyutta zeolitin özelliklerinin biyosensör performansına etkisi araştırılmıştır. Elde edilen verilere göre zeolitin Si/Al oranı, malzemenin elektrostatik ve hidrofobik özelliklerini değiştirerek, substrat molekülleri ile elektrostatik etkileşimini arttırmıştır ve buna ek olarak enzimatik reaksiyonlara proton donor olarak katkıda bulunmuştur. Ayrıca, parçacık boyutu, yüzey alanı, yüzey yükü ve gözenek boyutu da enzimatik aktivite ve biyosensör stabilitesini etkileyen faktörler arasındadır.Sonuç olarak zeolit ve zeolit benzeri malzemeler kullanıularak modifiye edilmiş elektrotların kullanıldığı kondüktometrik ve ISFET tipli biyosensörler, direkt üre, glukoz ve bütirilkolin tespiti için kullanılmış ve biyosensör performansını arttırıcı etkileri tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, yeni nesil biyosensör dizaynı için gelecekteki çalışmalara ışık tutacak niteliktedir.
Özet (Çeviri)
Over the last decade, immobilization of proteins onto inorganic materials is becoming more crucial to extend a deep understanding of interaction between proteins and nanoparticles. With understanding of the real interaction lying under the protein-nanoparticle relations, it is possible to organize the conformation and orientation of surface and framework species of nanoparticles to generate ideal surfaces for potential biotechnological applications. Due to their unique properties such as large clean surface, tunable surface properties, adjustable surface charge, and dispersibility in aqueous solutions, zeolite and zeo-type materials are one of the remarkable classes of inorganic materials that are widely studied in the literature. These properties make zeolites promising alternative candidates for the immobilization of enzymes and incorporation into biosensing devices.In the current study, a new approach was developed for direct determination of urea, glucose, and butyrylcholine where zeolites were incorporated to the electrode surfaces of a conductometric biosensor and Ion Sensitive Field Effect Transistors were used to immobilize the enzymes. Biosensor responses, operational stabilities, and storage stabilities of the new approach were compared with results obtained from the standard membrane methods for the same measurements. For this purpose, different surface modification technique, which are simply named as Zeolite Modified Transducers (ZMTs) were compared with Standard Membrane Transducers (SMTs). During the conductometric measurements ZMT electrodes were used, which allowed the direct evaluation of the effect of zeolite morphology on the biosensor responses for the first time. It was seen that silicalite added electrodes lead to increased performances with respect to SMTs. As a result, the zeolite modified urea and glucose biosensors were successfully applied for detecting urea and glucose, which can offer improved possibilities to design biosensors. The results obtained show that zeolites could be used as alternatives for enzyme immobilization in conductometric biosensors development.Furthermore, the sensitivities of urease and butyrylcholinesterase biosensors, prepared by the incorporation of zeolite Beta crystals with varying acidity on the surface of pH-sensitive ? eld-effect transistors (pH-FETs), have been studied and compared. In order to study exclusively the effect of zeolite acidity, highly crystalline pure zeolite Beta sample with Si/Al ratio of 17 was synthesized and subjected to different heat treatment protocols. In this way, the surface acidic OH groups were controllably altered, as confirmed by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy without changing any other zeolitic properties, such as zeolite morphology and Si/Al ratio. Upon incorporation of zeolite Beta, the biosensors sensitivity towards urea and butyrylcholine increased 2 and 3 times, respectively. Operational stability and possibility to use the biosensors for inhibition analysis were also investigated. The combined ion-sensitive field-effect transistor (ISFET) and FTIR data provided evidence that urease and butyrylcholinesterase responded to changes in the nature of surface OH groups in zeolite Beta samples. Accordingly, it was found that the Brønsted acidity of zeolite Beta is important for the ultimate ISFET performance.Additionally, analytical characteristics of urease and butyrylcholinesterase based ISFET sensors were investigated by the incorporation of zeolite (70 nm zeolite beta crystals with varying Si/Al ratio, particle size, and surface charge) and zeo-type materials with varying pore diameter and surface charge for the first time. The results obtained by the zeolite modified ISFET transducers suggested that the Si/Al ratio, particle size and surface charge of the zeolite Beta crystals were strongly influenced the biosensor performances due to the electrostatic interactions between enzyme molecules, substrates, and zeolite surface as well as the nature of the enzymatic reaction.
Benzer Tezler
- Molecular recognition based self assembly of engineered proteins on nanoscaled gold surfaces
Nano-ölcek metal yüzeylerde moleküler tanıma esaslı kendiliğinden montaj olabilen protein tasarımı
BANU TAKTAK KARACA
Doktora
İngilizce
2015
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANDAN TAMERLER
YRD. DOÇ. DR. BÜLENT BALTA
- Construction of a GFP containing recombinant plasmid facilitating immobilization, visualization and quantification of fusion proteins on interactive polymeric surfaces
Birleşik proteinlerin etkileşen polimerik yüzeyler üzerinde sabitlenmesini, görüntülenmesini ve miktar hesaplanmasını kolaylaştıran, GFP (yeşil parlayan protein) geni içeren bir rekombinant vektörün oluşturulması
ERİNÇ ŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
BiyolojiSabancı ÜniversitesiDOÇ. DR. ZEHRA SAYERS
YRD. DOÇ. DR. ALPAY TARALP
- Yeni afinite destek materyalinin hazırlanması: Destek materyalinin yüzey özelliklerinin , adsorpsiyon mekanizmasının aydınlatılması
Preparation of affinity support for seperation of lysozym: Characterization of surface properties and adsorption mechanism
HÜLYA SARIBEK ÇİMEN
- Manyetik nanopartiküllere papain enziminin immobilizasyonu ve proteinlerin enzimatik hidrolizinde kullanımı
Immobilization of papain onto magnetic nanoparticles and usage for enzymatic hydrolysis of proteins
PELİN ALPAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
BiyokimyaAdnan Menderes ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DENİZ AKTAŞ UYGUN
- Polifenollerle fonksiyonelleştirilmiş Fe3O4 nanopartiküllerine tripsin immobilizasyonu ve sindirim uygulaması
Immobilization of trypsin on Fe3O4 nanoparticles which have been functionalized with polyphenols and application of digestion
KEZİBAN ATACAN