Geri Dön

Development of enzyme-based coating methods for the prevention of bacterial biofilm formation

Bakteriyel biyofilm oluşumunu engellemeye yönelik enzim bazlı kaplama yöntemlerinin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 397807
  2. Yazar: ABDULLAH SERT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. NEVİN GÜL-KARAGÜLER, PROF. DR. MELEK TÜTER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyoteknoloji, Kimya, Biotechnology, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 84

Özet

Biyofilm, canlı yada cansız herhangi bir yüzeye tutunarak mikrobik kökenli polimerik yapıya gömülü kalan mikroorganizma topluluğu olarak tanımlanabilir. Biyofilm oluşumu mikroorganizmaların yaşam alanları içindeki bir yüzeye teması ile başlar ve salgıladıkları çeşitli ekstrasellüler biyopolimerler sayesinde metal, plastik, medikal implant, hücre dokusu gibi çok farklı yüzeylere bağlanabilirler. Doğada var olan biyofilm yapıları genellikle farklı birçok mikroorganizma türünün oluşturduğu, biyopolimerler ile çevrilmiş heterojen bir yapıdır ve bu yapı biyofilmi oluşturan mikroorganizmalara çevresel koşullardaki değişime adaptasyon kolaylığı, antimikrobiyal kimyasallara karşı dayanıklılık gibi çeşitli avantajlar sağlamaktadır. Aynı zamanda bu katman toksik kimyasalların ve antibiyotiklerin geçişini engelleyerek biyofilm yapısındaki mikroorganizmalara önemli avantajlar da kazandırmaktadır. Hücre katmanları arasında bulunan su kanalları ise biyofilmin gelişmesinde hayati öneme sahiptir. Mikroorganizmalar ihtiyaç duydukları besinlere bu su kanalları sayesinde erişirken, atıkların uzaklaştırılması da yine su kanalları sayesinde kolaylaştırılır ve mikroorganizmaların sinyal moleküller aracılığı ile iletişim kurabilmeleri için de kanal görevi üstlenirler. Biyofilm oluşumunun istenmeyen bölgelerde gerçekleşmesi insan sağlığını ve endüstriyel verimliliği olumsuz olarak yoğun bir şekilde etkilemektedir. Biyofilm kaynaklı insan sağlığı problemleri, içme suyu kalitesindeki düşüş ve enerji üretim verimliliği gibi birçok konuda biyofilm oluşumunun verdiği hasarların maliyeti milyar dolarları bulmaktadır. Biyofilm oluşumuna, dental yüzeyler, gıda endüstrisindeki üretim bandındaki kontaminasyonlar ve havalandırma sistemleri gibi birbirinden çok farklı sistemlerde sıklıkla karşılaşılmaktadır. Hem insan ve toplum sağlığı hem de ekonomik açıdan yaratmış olduğu zararlı etkileri nedeniyle, yüzey üzerinde mikrobiyal birikimi engelleyebilecek veya en azından büyümesini ve yayılmasını durdurabilecek yöntemlerin geliştirilmesine yönelik çalışmalar son yıllarda yoğun olarak yürütülmektedir. Biyofilm sistemlerinin, tehlikeli atıkların işlenmesi ve değerlendirilmesi, endüstriyel atık sularının filtrelenmesi, yeraltı sularının kontaminasyondan arındırılması gibi kullanım alanlarının bulunması ile birlikte, endüstriyel ve biyomedikal uygulamalarda biyofilm oluşumunun, ürün kontaminasyonu, enerji kaybı ve medikal enfeksiyona sebep olmak gibi birçok negatif etkisi vardır. Mikroorganizmaları bertaraf etmek için kullanılan geleneksel antibiyotik ve dezenfektanlar sıklıkla biyofilm yapısı üzerinde yeterli etkinliğe sahip olamamaktadır. Biyofilm yapısını bertaraf etmek için bu kimyasalların yüksek dozda kullanımı, biyomedikal uygulamalarda engel teşkil etmekte, endüstriyel sistemlerde ise çevresel sorunlara yol açmaktadır. Literatürde farklı endüstriyel ve medikal alanlarda kullanılan malzemelerin, cihazların ve ekipmanın yüzeyleri üzerinde biyofilm oluşumunu önlemeye yönelik çalışmalara rastlanılmaktadır. Bu anlamda en yakın çalışma, kateter manşetlerinin hidrojel ile kaplanarak mikroorganizmaların üremesini engelleyecek şekilde fiziksel ve kimyasal özelliklerinin değiştirilmesine yöneliktir. Bu uygulama mikroorganizmaların yüzeye bağlanma kabiliyetini düşürmesine rağmen, hidrojelin yüzeye homojen bir şekilde tatbik edilmesi oldukça zor bir işlemdir. Bu alanda bir diğer çalışmada ise, antimikrobik etkinliği bilinen gümüş iyonları ile kateter manşetleri kaplanmış, fakat gümüş iyonlarının zamanla ortama difüze olması, kaplamanın antimikrobik etkinliğini kaybetmesine neden olmuştur. Kaplama malzemesi olarak antibiyotiklerin kullanılması ise mikroorganizmaların kullanılan antibiyotiğe karşı direnç kazanmasına ve uygulamanın etkinliğini kaybetmesine neden olmaktadır. Yüzey üzerinde biyofilm oluşumunu engellemek için kullanılan alternatif yaklaşımlardan bir tanesi de enzimlerin kullanılmasıdır. Biyofilm oluşumunu engellemek için kullanılan toksik kimyasallar ile kıyaslandığında enzimlerin önemli bir üstünlüğü, enzimlerin çevreye zarar vermemesidir. Farklı tür mikroorganizmalar belirli bir yüzeye bağlanmak için farklı polimerler kullanmalarına rağmen yapılan çalışmalarda ticari olarak satılan proteazların biyofilm oluşturan mikroorganizmaların yüzeye bağlanma olasılığını düşürdüğü tespit edilmiştir. Ayrıca lizozim ve Polietilen glikolün kovalent olarak yüzeye bağlandıklarında yüzeyin antibakteriyel ve antiadhezif özellikler gösterdiği tespit edilmiştir. Çalışmada kullanılan mikroorganizma literatürde biyofilm çalışmalarında sıkça kullanılan mikroorganizmalardandır. Medikal cihazlar da dahil olmak üzere biyotik ve abiyotik birçok farklı yüzeye bağlanabilen ve biyofilm oluşturduğu bilinen gram-negatif bir bakteri olan Pseudomonas aeruginosa fırsatçı bir insan patojenidir. Tez çalışmalarında, mikroorganizmaların endüstriyel ve tıbbi alanlarda sıkça kullanılan yüzeylere bağlanarak biyofilm oluşturmalarını engellemek hedeflenmiştir. Çalışmanın ilk ayağında mevcut kaplama yöntemleri göz önünde bulundurularak, çalışmanın amacına uygun bir kaplama stratejisi belirlenmiştir. Sol-gel yönteminin stabilitesi, oda şartları altında uygulunabilirliği, inert özellikte olması ve ayrıca yüzey üzerinde fonksiyonel grupların oluşmasını sağlayabiliyor olmasından dolayı kaplama aşamasında kullanılması uygun görülmüştür. Sol-gel kaplama sayesinde yüzeyde oluşan fonksiyonel amin grupları doğrudan enzim immobilizasyonu için kullanıldığı gibi alternatif bir yöntemin de geliştirilmesiyle yüzeyde oluşturulan fonksiyonel karboksil grupları da enzim immobilizasyonu için kullanılmıştır. Bu amaçla kullanılan poli-akrilik asit molekülleri yüzeye kovalent olarak bağlanmış ve bunu takiben enzim immobilizasyonu gerçekleştirilmiştir. Uygulanan her iki kaplama tekniğinin de enzimlerin yüzeye aktif biçimde bağlanmasını mümkün kılması karşılaştırma açısından ekstra bir avantaj sağlamaktadır. Çalışmalar boyunca gerçekleştirilen tüm kaplama aşamaları Fourier Transform Infrared Spektroskopi ve Atomik Kuvvet Mikroskobu yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Sol-jel kaplanan yüzeyler üzerine kovalent olarak bağlanmış enzimlerin aktiviteleri, yapılan spektrofotometrik çalışmalarla test edilmiş ve anti-biyofilm etkinlikleri konfokal taramalı lazer mikroskobu aracılığıyla yerinde görüntülenmiştir. Çalışmalarda kullanılan yüzeyler ise medikal cihazların yapımında ve endüstriyel cihaz ve malzemelerin üretiminde sıklıkla kullanılan paslanmaz çelik yüzeylerdir. Bu yüzeylerin hiçbir muameleye maruz kalmadığı ilk hallerinden enzim kaplanmış son hallerine kadar tüm adımları karakterizasyon çalışmaları ile incelenmiştir.

Özet (Çeviri)

A biofilm is essentially composed of microbial cells attached to a surface and covered completely with an extracellular polymeric matrix produced by biofilm-forming bacteria. Biofilm formation results in significant changes in gene expression and these changes are related with bacterial cell-to-cell signaling, also known as“quorum sensing”. When these bacterial cells approach inert surfaces, they first get bound to these surfaces utilizing their external structures such as flagella, fimbriae or capsular components by weak forces. As the cells remain attached to the surface for some period, they start to secrete extracellular polymeric substances (EPS) in order to compose a biofilm matrix that embeds many layers of bacterial cells when the biofilm develops. Bacterial EPS are generally composed of a wide variety of materials like polysaccharides, proteins, nucleic acids, uronic acid and humic substances. The EPS has several vital functions such as providing an adhesive foundation, structural integrity, bacterial protection and intercellular communication. Due to highly enhanced resistance to antibiotics and disinfection treatments, uncontrollable and undesirable accumulation of cell aggregates cause serious problems in biomedical applications, infections in humans and corrosion and equipment failure in industrial settings. Studies concerning biofilm effects on human health are generally performed on water systems, prosthesis and implants. Biofilm formation and metabolic activities within may cause serious community health risks. Most of these health risks are nosocomial infections of gastrointestinal, eye and ear etc. Complex laparoscopic devices, which are very sensitive to disinfection and sterilization, used in minimal invasive surgery and other surgical instruments are common places of biofilm formation. Due to these facts, there is a growing demand towards developing strategies to remove and protect the surfaces against biofilm formation. Several attempts have been made to protect the surfaces of materials, instruments and equipments by addition of antimicrobial, biocidal and non-adhesive substances for coating, addition of diffusible toxic agents and changing surface roughness. In one of these studies, physical and chemical properties of biomaterial surface are modified by coating with a hydrogel. This method was effective in reducing bacterial adhesion but it was difficult to cover the surface uniformly. In another attempt, cuffs on catheters were coated with silver. The drawback of this approach was degradation of the cuff, which results in diffusion of silver ions and loss of antimicrobial activity. Antibiotics have also been coated onto surfaces but with the emergence of microbial resistance, this kind of applications had short-term effect. One of the solutions to overcome the problem with biofilm formation could be the replacement of biocides with non-toxic alternatives, such as enzymes. Enzymes have been used in several industries ranging from food industry to large scale biocatalysis and can also be used for the degradation and the removal of the bacterial biofilms. Extracellular Polymeric Substances (EPS) in the biofilm matrix is the essential part of the biofilm development. The complexity and variability of biofilm polymers in the matrix described above could be the utility to use several enzymes like hydrolases and lyases, individually and/or their combinations. This could achieve a sufficient disintegration of the polymeric networks composing the biofilm matrix and detachment of the biofilm from the surface it was attached. The reasons for using these biocatalysts are that they are environmentally safe, non-toxic to mammalian cells and act on their substrates specifically by retaining their activity for a long period if immobilized. Thus, surface immobilized enzymes could provide surfaces with anti-adhesive and antifouling properties. The main objective of the present thesis was to apply sol-gel technology and carbodiimide chemistry for immobilization of enzyme molecules to obtain antimicrobial surface. In this project we aim to inhibit formation of bacterial biofilm using covalently attached lysozyme either for use in industrial or medical applications. In order to realize the project, lysozyme molecules were immobilized onto hydrogel-type interlayer, poly(acrylic acid), using azide/nitrene chemistry for covalent attachment of the enzyme molecules. The presence of amine groups in the sol-gel silicate network provides functional sites for covalent bonding of poly(acrylic acid) via the carbodiimide reaction. Spectroscopic characterization of immobilization steps was performed using Atomic Force Microscopy (AFM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The ability of covalently immobilized enzyme to prevent growth and biofilm formation of Pseudomonas aeruginosa was assessed using flow cell and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM). Pseudomonas aeruginosa was used as a model for biofilm forming microorganism. The development of a biofilm in a parallel plate flow cell system containing control and coated test materials was designed to study biofilms growing under a range of conditions (high and low flow rates, incubation times, different temperatures etc.) which facilitates non-destructive imaging of biofilms by using Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM). The activities of enzyme molecules covalently-bound on sol-gel coated surfaces were analyzed during these characterization studies and the anti-biofilm efficiencies of these surfaces were visualized by using confocal microscopy.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    738029

    Suda çözünür yeni makrohalkalı bileşiklerin sentezi ve biyolojik özelliklerinin incelenmesi

    Synthesis of water-soluble new macrocyclic compounds and investigation of their biological properties

    AYNUR KÜBRA MUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BEHİCE ŞEBNEM SESALAN

  2. Tez No

    445022

    Bakır/gümüş/çinko oksit (CuAg/ZnO) partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz yöntemiyle üretimi

    Production of CuAg/ZnO nanocomposite particles by ultrasonic sprey pyrolysis

    TOLGA ÇAKMAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN

  3. Tez No

    816182

    Mgo/zno/rgo nanocomposite based electrochemical enzymatic glucose biosensors

    MgO/ZnO/rGO nanokompozit bazlı elektrokimyasal enzimatik glikoz biyosensörleri

    GÜLLÜ GÜLTUĞ YÜN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ

  4. Tez No

    182257

    Sulardaki Escherichia coli'nin tayini için paramanyetik küreler kullanarak immunolojik analiz yönteminin geliştirilmesi

    Development of an immunoassay for the determination of Escherichia coli by using paramagnetic beads

    FAHRİYE CEYDA DUDAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    BiyomühendislikHacettepe Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. İSMAİL HAKKI BOYACI

  5. Tez No

    310529

    Constructing peptide (GEPI)-protein molecular hybrids by using genetic engineering methods for materials and medical applications.

    Malzeme ve medikal uygulamalar için gen mühendisliği yoluyla peptid (GEPI)-protein hibritlerin oluşması.

    DENİZ ŞAHİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CANDAN TAMERLER

    PROF. DR. MEHMET SARIKAYA

Geri Dön