Nanobio-approaches for the detection of bacteria by SERS
SERS ile bakteri tanısında nanobiyo-yaklaşımlar
- Tez No: 547231
- Danışmanlar: PROF. DR. ERHAN BİŞKİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Mikrobiyoloji, Bioengineering, Biotechnology, Microbiology
- Anahtar Kelimeler: Patojenik bakteriler, Tanı, Bakteriyofajlar, Nanopartiküller, SERS, LSPR, MALDI-TOF MS, Gelatin hidrojel mikroküreler, Faj yükleme ve salım, Pathogenic bacteria, Detection, Bacteriophages, Nanoparticles, SERS, LSPR, MALDI-TOF MS, Gelatin hydrogel microspheres, Phage loading and release
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 172
Özet
Besin ve su kaynaklı hastalıklar tüm dünyada çok ciddi ve maliyetli halk sağlığı sorunları arasındadır. Besin ve sularda patojenik bakteriyel kirliliğin izlenmesi/ erken tanısı global olarak en önemli öncelikli biridir. Bu doktora çalışmasının temel amacı patojenik bakterilerin tanısı/aydınlatılması için nanobiyo-esaslı protokolların geliştirilmesidir. Escherichia coli (E.coli) temel hedef bakteridir, ancak karşılaştırma yapmak üzere çalışmaya Staphylococcus aureus (S.aureus) and Salmonella infantis (S.infantis) de ilave edilmiştir. Bu bakteriler ve özgün bakteriyofajları Türkiye ve Gürcistan'daki (Eliava Institute, Tiflis) uzman enstitülerden/ laboratuvarlardan ve Amerikan Doku Kültür Kolleksiyonundan (ATCC) temin edilmiş, laboratuvarlarımızda çoğaltılmış, karakterize edilmiş ve kullanılmıştır. Bakteri kültürleri her çalışma günü için stoklardan taze olarak hazırlanmıştır. Bakteri ve fajları başlangıç konsantrasyonları tez kapsamındaki çalışmalarda, sırasıyla 108 CFU/mL and 108 PFU/mL dir. Optik sinyallerin zenginleştirilmesi için 3 farklı plasmonik nanopartikül - gümüş nanoküreler (AgNPs), altın nanoküre ve nanoçubuklar (AuNPs ve AuNRs) sentezlenmiştir. Farklı boyda nanopartikül üretmek için indirgeme ajanı ve nanoemülsiyonların kararlılığını artırmak için sitrat ve/veya CTAB kullanılan farklı yöntemler uygulanmıştır. Bunlar SEM/TEM, Zeta-Sizer, UV-spektrofotometre, LSPR ve AFM kullanılarak karakterize edilmiştir. Seçilen türler aşağıda verilen uygulamalarda kullanılmıştır. Bu tez kapsamında bakteri tanısı ve aydınlatılması amacıyla - temel olarak“Yüzey Zenginleştirilmiş Raman Spektroskopisi (SERS)”tekniği uygulanmıştır. Bakteriyofajların özgün biyoproblar ve nanopartiküllerin sinyal güçlendiriciler olarak yer aldığı bu çalışmalarda alternatif uygulama protokolleri geliştirilmiştir. SERS çalışmaları önce farklı taşıyıcılar, cam slaytlar ve onların polidopamin kaplı formları ve silika kullanılmıştır. Platformlara ait SERS pikleri bakteri/faj piklerinin üzerini örtmediği silika slaytlar başarılı bulunmuş ve sonraki çalışmalarda yalnızca bu yüzeyler kullanılmıştır. İki grup tanı çalışması yapılmıştır. Birinci grupta önce nanopartiküller silika yüzeylere biriktirilmiş, daha sonra hedef bakteri/bakteriyofajlar yüzeye sırasıyla konularak SERS verileri toplanmıştır. Özellikle fajların konulmasından sonra spektrumlardaki değişimlerin çok belirleyici tanı protokolu oluşturulmasını sağladığı not edilmiştir. İkinci grupta, bakteriler önce süspansiyonda altın nanoçubuklar ile inkübe edilmiş ve nanoçubukların bakteri yüzeyine yığılmaları sağlanmıştır. Daha sonra bu karışım silika yüzeylere damlatılmış ve bakterilere odaklanarak SERS verileri toplanmıştır. Hedef bakterilerinin belirgin ve güçlü parmak izleri elde edilmiştir. Bu nanoçubuk yüklü bakterilerin bulunduğu slaytların üzerine özgün fajlar damlatılmış ve spektrumların zamanla değişimi izlenmiştir. Fajlara ait pikler güçlenirken bakteriye ait piklerin bir kısmı kaybolmuştur. Tek bir bakteri üzerine dahi hedefleme yapılarak tanımlayıcı belirgin spektral piklerin elde edilmesi mümkün olmuştur. Bu çok ilginç/yenilikçi bulgular burada uygulanan SERS protokolunun başarıyla kullanılabileceğini göstermiştir. Destekleyici olarak yapılan öncü çalışmalarda“Lokalize Yüzey Plazmon Resonans (LSPR) Spektroskopi”ve“Matriks Yardımcı Lazer Desorpsiyon/İyonizayon-Zaman/Uçuş Kütle Spektroskopi (MALDI-TOF MS)”tekniklerinin de kullanılabilirlikleri araştırılmıştır. LSPR çalışmaları polidopamin ile kaplanmış daha sonra AgNPs, AuNPs ve AuNRs lerin biriktirilmesi ile modifiye edilmiş cam slaytlar üzerinde gerçekleştirilmiştir. AuNPs - küresel şekilleri ve boyutları (yaklaşık 40 nm) nedeniyle en başarılı olarak bulunmuştur. Önce hedef bakteri (E.coli) yüzeylere damlatılmış ve LSPR verileri toplanmıştır. Daha sonra özgün faj taşıyıcı üzerine konmuş ve LSPR'de ki değişiklikler kaydedilmiştir. Bu değişimler hedef bakterileri tanısının LSPR ile başarıyla yapılabileceği gösterilmiştir. Özgün olmayan faj E.coli üzerinde çalışmamış, böylece bu çok basit LSPR tekniği ile özgün tanı yapılabileceği vurgulanmıştır. Son tanı grubunda bir profesyonel MALDI-TOF MS sistemi kullanılmıştır. Bu testler yine üç bakteri ve özgün fajları ve AuNPs kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Farklı deney setleri uygulanmıştır. Bakteriler/fajları temsil eden çok ilginç pikler elde edilmiştir. Özgün fajların zaman kontrollu olarak ilavesi ile (piklerin zamanla değişimi izlenerek) özgün tanı yapılabileceği gösterilmiştir. Bakteriyofajların hem depolamada hem de kullanımda hem aktivitelerini korumalarını hem de etkin kullanımlarını sağlamak için yapılan öncü çalışmalarda jelatin hidrojel mikrokürlere yüklenmeleri sağlanmıştır. Jelatin mikroküreler önce süspansiyonda jelleşme ile küresel formda hazırlanmış sonraki adımda“dehidrotermal”yöntemle çapraz bağlanmıştır. E.coli T4 fajı kuru jelatin mikrokürelere faj çözeltisi emdirilerek yüklenmiştir. Sulu ortamda salım hızları elde edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Özellikle çok kolay hazırlanan çapraz bağlı stabil jelatin mikrokürelere yüklemenin hızlı ve kolay yapılabilmesi önemle not edilmiş ve devam eden sonraki çalışmalarda bu yaklaşımın kullanılmasına karar verilmiştir.
Özet (Çeviri)
The main objective of this PhD thesis is to develop nanobio-based detection/identification protocols for pathogenic bacteria. Escherichia coli (E.coli) was the main target bacteria, Staphylococcus aureus (S.aureus) and Salmonella infantis (S.infantis) were included for comparison. Bacteria and their specific bacteriophages (used as specific bioprobes) were obtained from the expert laboratories and American Tissue Culture Collections (ATCC), and propagated, characterized and used by us. To enhance the optical signals, several plasmonic nanoparticles namely silver nanospheres (AgNPs), gold nanospheres and nanorods (AuNPs and AuNRs) were synthesized, characterized and the selected ones were used in the further studies described below. The SERS experiments were conducted in the following two different protocols: (i) The plasmonic nanoparticles were deposited on the carrier matrices, target bacteria were dropped and the SERS spectra were collected, then bacteriophages were added and changes in the spectral peaks were observed; (ii) the bacterial suspensions were mixed with the gold nanorod emulsions, then they were dropped on silica slides to collect the spectral data, then bacteriophages were added onto those surfaces and spectral changes with time were obtained. Especially the second protocol was very successful. The LSPR studies were performed on glass slides coated with polydopamine - carrying also the nanoparticles aggregates. We were able to follow a similar protocol that we applied in the SERS I experiments and changes in the LSPR spectra were used to describe the specific interaction of the target bacteria with their specific phages. Descriptive spectra for detection of three bacteria and their respective phages using the AuNPs were also obtained with a MALDI-TOF MS system. Especially changes in the specific phage peaks with time were found very descriptive. In the final part of the studies, the cross-linked gelatin microbeads were prepared and T4 phages were loaded within these gelatin hydrogel microspheres by a very simple technique. The results of loadings and release studies were concluded as the proof of concept of improving storage and release characteristics in use of bacteriophages effectively.
Benzer Tezler
- Ağır metal katkılı petrol hidrokarbonları kirliliği olan toprakların nano/bio yöntemiyle arıtımı
Remediation of soils co-contaminated with heavy metals and petroleum hydrocarbons using nano/bio process
BEKİR FATİH KAHRAMAN
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ALTIN
- Nesnelerin interneti (IoT) destekli nano-STEM-GLASS etkinliklerinin tasarlanması ve uygulama sürecinin incelenmesi
Planning internet of things (IoT) aided nano-STEM-GLASS activities and studying the implementation process
İSMAİL ATEŞ
Doktora
Türkçe
2022
Eğitim ve ÖğretimMarmara ÜniversitesiMatematik ve Fen Bilimleri Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSA ÜCE
- Molecular analysis of engineered nanomaterials in biomedical and regenerative medicine applications
Biyomedikal ve yenileyici tıp uygulamalarında kullanılan nanomalzemelerin moleküler seviyede incelenmesi
NURAY GÜNDÜZ
Doktora
İngilizce
2019
Biyoteknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÇAĞLAR ELBÜKEN
YRD. DOÇ. DR. AYŞE BEGÜM TEKİNAY
DR. HIDIR ÖMER YILMAZ
- Physicochemical characteristics of silicananoparticles tailored for nanomedicine
Başlık çevirisi yok
DİDEM ŞEN KARAMAN
- Nanobiyokatalizörlerde demir mineralizasyon tekniğinin kullanılması
Using iron mineralization technique in nanobio catalysts
MUHAMMET SAMİ BİLTEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
BiyokimyaSelçuk ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ELİF ÖZYILMAZ