A syntethic biology approach for engineered functional biofilms
Tasarlanmış fonksiyonel biyofilmler için sentetik biyoloji yaklaşımı
- Tez No: 486734
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. URARTU ÖZGÜR ŞAFAK ŞEKER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Mikrobiyoloji, Bioengineering, Biotechnology, Microbiology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 176
Özet
Hücre dışı polimerik maddeler moleküller, DNA'lar, karbonhidratlar ve mikrobiyal biyofilmler tarafından salınan proteinlerden oluşur. Bu moleküller bakteriyel biyofilmlerin yüksek derecede düzenlenmiş, karmaşık ve dinamik malzeme sistemleri olarak sentezlenmesine yardımcı olur, hücrelerin çevreye uyarlanmasına katkıda bulunur ve geniş koşullar aralığında esneklik ve işlevselliklerini artırır. Bakteriyel biyofilmler, biyo-nano malzemeler gibi fonksiyonel uygulamalar için umut vadeden araçlardır. İyi tanımlanmış makinelerle sentezlenirler, geniş alanları kapsayan fiber ağları oluştururlar ve farklı işlevler için tasarlanabilirler. Mevcut tezin bir yönü, Escherichia coli bakterisinin curli proteinlerinin ekspresyonunun kontrol edilmesine ve çeşitli peptid moleküllerini genetik olarak kaynaştırarak curli liflerin işlevselleştirilmesine odaklanmaktadır. Biyofilm proteinleri, elektriği ileten protein nanofiber ağları geliştirmek için programlanmış hücresel makineler kullanılarak tasarlanmış iletken aromatik amino asitlerle işlevselleştirildi. Bakteri popülasyonlarının metabolik aktivitelerini kontrol etmek ve yönlendirmek için biyolojik iletkenliğin nasıl kullanılacağı gösterilmiştir. Yaşayan sistemleri elektronik aygıtlarla birleştirmek için iletken biyolojik arayüzleri anlamak ve oluşturmak zorunlu bir konudur. Literatürde ilk kez canlı hücrelerin iletken bir nanofiber ağ oluşumu yoluyla biyo-iletkenliği sağladığını göstermeyi başardık. E. coli'de, biyofilmlerin oluşumundan sorumlu nano-liflerin (CsgA ve CsgB) omurgaları olarak iki protein bulunur. Bu tezde biyofilm yapılarının morfolojisinin ve mekanik özelliklerinin ayarlanabilirliği protein mühendisliği kullanılarak araştırılmıştır. Biyofilm yapılarının nihai mekanik özellikleri üzerine minör ve majör proteinlerin ve bunların mühendislik formunun etkisi, tarama probu mikroskopisi ile araştırıldı. Minör protein, biyofilm yapılarının mekanik ve morfolojik özelliklerinin ayarlanmasında hayati bir rol oynar. Malzeme bilimi için biyofilm protein mühendisliği, kendi kendini monte eden işlevsel materyallerin genetik olarak ayarlanabilir biyo-fabrikasyonuyla kullanılabilir. Sentetik biyolojik araçlar kullanarak, harici olarak kontrol edilebilir biyofilm kalıpları elde edilebilir. 6x-Histaq modifikasyonlu yapısal protein CsgA'nın ekspresyonunu kontrol etmek için AND ve OR kodlayan rekombinaz esaslı genetik mantık kapıları, iki bağımsız kontrol sinyali kullanılarak tasarlandı. Bu tezde, sentetik biyoloji yaklaşımlarını kullanarak bakteriyel biyofilmleri mühendisliği yapma fırsatı gösterildi.
Özet (Çeviri)
Extracellular polymeric substances consist of molecules, DNAs, carbohydrates, and proteins that are secreted by microbial biofilms. These molecules assist in the synthesis of bacterial biofilms as highly ordered, complex and dynamic material systems, contribute to the adaptation of cells to their environment, and increase their flexibility and functionality under a broad range of conditions. Bacterial biofilms are promising tools for functional applications as bionanomaterials. They are synthesized by well-defined machinery, readily form fiber networks covering large areas, and can be engineered for different functionalities. One aspect of the present thesis focuses on controlling the expression of the curli proteins of Escherichia coli and functionalize the curli fibers by genetically fusing various peptide molecules. Biofilm proteins were functionalized with designed conductive aromatic aminoacids by using programmed cellular machines in order to develop electrically conductive protein nanofiber networks. It has been shown how biological conductivity can be used to control and direct metabolic activities of bacterial populations. Understanding and building conductive biological interfaces to merge living systems with electronic gadgets is a demanding subject. First time in the literature we succeeded to demonstrate living cells enabled bio-conductivity via a conductive nanofiber network formation. In E. coli, there are two proteins as backbones of the nano-fibers (CsgA and CsgB) responsible for the formation of biofilms. In this thesis, tunability of the morphology and mechanical properties of biofilm backbones were investigated by using protein engineering. The effect of minor and major proteins and their engineered form on the final mechanical properties of the biofilm structures were probed by scanning probe microscopy. The minor protein plays a crucial role in tuning the mechanical and morphological properties of the biofilm structures. Biofilm protein engineering for material science can be used through the genetically tunable biofabrication of self-assembling functional materials. Using synthetic biological tools, externally controllable biofilm patterns can be achieved. Recombinase based genetic logic gates encoding AND, and OR to control the expression of structural protein CsgA with 6x-Histaq modification were engineered with using two independent control signals. In this thesis, the opportunity to engineer bacterial biofilms using synthetic biology approaches was demonstrated.
Benzer Tezler
- Synthetic biology approach for point-of-care device applications of biosensors
Biyosensörlerin bakım noktası cihaz uygulamaları ı̇çin sentetik biyoloji yaklaşımı
İLKAY ÇİSİL KÖKSALDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. URARTU ÖZGÜR ŞAFAK ŞEKER
- Genetically designed microbes for bioimaging and biosensing
Biyogörüntüleme ve biyosensing için genetik olarak tasarlanmış mikroplar
MERVE YAVUZ
Doktora
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. URARTU ÖZGÜR ŞAFAK ŞEKER
- Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi
Development of nanocomposite material for artificial muscle applications
AYŞE KÜBRA AYDINALEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- 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
2011
Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CANDAN TAMERLER
PROF. DR. MEHMET SARIKAYA