Selection, design & applications of solid binding peptides for controlled biomineralization
Kontrollü biyomineralizasyon için katı yüzeylere bağlanan peptitlerin seçimi, tasarımı ve uygulamaları
- Tez No: 742077
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SARIKAYA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Washington
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 194
Özet
“Biyolojik mineralizasyon”veya“biyomineralizasyon”terimi, canlı sistemler tarafından minerallerin oluşumunu ifade eder. Biyolojik minerallerin dikkat çekici ve benzersiz fonksiyonel özelliklerinin fark edilmesiyle biyomineralizasyon, kimya, biyolojik ve yer bilimlerini birleştiren yeni bir bilim alanı olarak öne çıkmıştır. Organizmalarda 60'tan fazla farklı mineral türü tanımlanmıştır ve yeni biyolojik mineraller keşfedilmeye devam ettikçe bu sayı artmaya devam etmektedir. Biyojenik ve abiyotik mineraller arasındaki temel fark, biyojenik minerallerin mineralizasyon süreçlerinin belirli biyomoleküller, tipik olarak proteinler, tarafından sıkı bir şekilde düzenlenmesidir. Bu tez araştırması, sert doku onarımı/rejenerasyonuna biyomimetik bir yaklaşımı uyarlamayı amaçlamaktadır. Bu araştırmanın hipotezi, ilgili inorganik mineralleri tanıyan küçük peptitlerin, mineralize dokuların onarımı ve yenilenmesi için kullanılabileceğidir. Birinci görev, mineralizasyonu yönlendiren peptitlerin hızlı seçimi ve karakterizasyonu için yöntemler uyarlamak ve optimize etmekti. Kombinatoryal peptit kütüphaneleri, çeşitli araştırmacılar tarafından katı yüzeylere bağlanan peptitlerin tanımlanması için başarıyla uyarlanmıştır. Bu araştırmada hidroksiapatit bağlayıcı peptitleri (HABP) tanımlamak için küçük modifikasyonlarla ticari olarak temin edilebilen faj peptit gösterim kütüphaneleri kullanılmıştır. Ardından, seçilen peptitlerin mineralizasyon davranışını karakterize etmek için alkalin fosfataz (AP) bazlı bir mineralizasyon modeli uyarlanmıştır ve optimize edilmiştir. Optimize edilmiş mineralizasyon modeli, literatürde mevcut olan in vitro mineralizasyon modellerinin çoğundan farklıdır ve biyolojik olarak ilgili bir mineralizasyon ortamında inorganik fosfat salınımı tarafından yönetilen yavaş mineralizasyona izin verir. Yavaş kinetik ayrıca mineralizasyon kinetiğinin ve morfoloji gelişiminin zamana dayalı bir şekilde karakterizasyonuna da izin verir. İkinci görev, bilgiye dayalı biyoinformatik yöntemlerle sonraki nesil mineralizasyon yönlendiren peptitleri üretmek için istatistiksel olarak faydalı bir peptit dizisi veri tabanı oluşturmaktı. 56 ayrı faj klonunu HA bağlanma afinitesi açısından karakterize edilmiştir. Tanımlanmış peptit seti, bir“dizi benzerliği analiz matrisi”geliştirmenin temeli olmuştur. Bu matrisi kullanarak, bir vaka çalışması olarak amelogen proteininden yeni nesil“doğal protein türevi”mineralizasyon yönlendiren peptitler oluşturulmuştur. Bu metodolojiyi kullanarak, amelogenin içinde, amelogeninin farklı yönlerini taklit eden iki bölge belirlenmiştir ve ayrı peptitler olarak sentezlendiğinde çekirdeklenme teşviki ve kristalografi kontrolü gibi amelogeninin farklı karakteristiklerini taşıdıkları gösterilmiştir. Üçüncü görev, HABP'lerin potansiyel kullanımlarını in vitro kavram ispatı çalışmalarıyla göstermekti. Farklı işlevselliklere sahip önemli sayıda peptit ürettikten sonra, peptit bazlı bir hidrojel iskelesini işlevselleştirmek için amorf kalsiyum fosfatın kristal faza dönüşümünü destekleyen 1. nesil bir HABP kullanılmıştır. Çalışma, hidrojel matrisine HABP eklenmesinin yüksek oranda kristalin ve biyolojik apatit benzeri mineral oluşumuyla sonuçlandığını göstermiştir. Yapay kök çürüklerini in vitro remineralize etmek için kalsiyum/fosfatın hızlı çekirdeklenmesini destekleyen bir amelogenin türevi peptit kullanılmıştır. Bu peptiti kullanarak, alttaki dentin ile iyi entegre olmuş ve doğal sement ile karşılaştırılabilir mekanik özelliklere sahip bir mineral tabakası oluşturmanın mümkün olduğu gösterilmiştir. Ayrıca bu mineral tabakasının sito-uyumlu olduğu ve hücrelerin adezyonunu desteklediği gösterilmiştir. Bu da bu yöntemin periodontal dokuların iyileşmesinde faydalı olabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The term“biological mineralization”or“biomineralization”refers to formation of minerals by living systems. Upon the realization of remarkable and unique functional properties of biological minerals, biomineralization has been distinguished as a new field of science combining chemical, biological and earth sciences. More than 60 different types of minerals have been identified in these organisms and this number keeps increasing as new biological minerals continue to be discovered. The fundamental difference between the biogenic and abiotic minerals is that the mineralization processes of biogenic minerals are strictly regulated by specific biomolecules, typically by proteins. This dissertation research seeks to adapt a biomimetic approach to hard tissue repair/regeneration. Here, we hypothesize that small peptides recognizing relevant inorganic minerals can be utilized for repair and regeneration of mineralized tissues. Task one was adapting and optimizing methods for rapid selection and characterization of mineralization directing peptides. Combinatorial peptide libraries have been successfully adapted for identifying solid-binding peptides by various researchers. We have utilized commercially available phage-peptide display libraries with minor modifications to identify hydroxyapatite0binding peptides (HABP). We have then adapted and optimized an alkaline phosphatase (AP) based mineralization model to characterize the mineralization behavior of the selected peptides. The optimized mineralization model differs from most of the in vitro mineralization models available in the literature, allowing slow mineralization governed by inorganic phosphate release in a biologically relevant mineralization environment. The slow kinetics also allows characterization of mineralization kinetics and morphology development in a time-wise manner. Task two was building a statistically useful peptide sequence database for generating subsequent generations of mineralization directing peptides via knowledge-based bioinformatics methods. We have characterized 56 individual phage clones in terms of HA binding affinity. The characterized peptide set have been the basis to develop a sequence similarity analysis matrix. Using this matrix, the next generations of“natural protein derived”mineralization directing peptides have been created from amelogenin as a case study. Using this methodology, we have identified two regions within amelogenin that emulate different aspects of amelogenin, i.e.: nucleation promotion and crystallography control, when synthesized as separate peptides. Task three was to demonstrate the potential uses for the HABPs with in vitro proof of principle studies. After generating a substantial number of peptides with different functionalities, we have utilized a 1st generation HABP, which promotes transformation of amorphous calcium phosphate to crystalline phase, to functionalize a peptide-based hydrogel scaffold. The study demonstrated that addition of the HABP to the hydrogel matrix results in deposition of highly crystalline, biological-like apatite. We have also utilized an amelogenin derived peptide that promotes rapid nucleation of calcium/phosphate to remineralize artificial root caries in vitro. We have shown that using this peptide, it is possible to form a mineral layer well integrated with the underlying dentin and with mechanical properties comparable to native cementum. We have also shown that this mineral layer is cyto-compatible and promotes adhesion of cells, which indicates that this method can be beneficial in healing of the periodontal tissues.
Benzer Tezler
- Langmuir Blodgett assembly of peptide functionalized nanoparticles onto silicatebased surfaces and their characterization
Peptit ile fonksiyonlandırılmış nanoparçacıkların Langmuir Blodgett yöntemi ile silika tabanlı yüzey üzerine kaplanması ve karakterizasyonu
NUR MUSTAFAOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Biyolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Moleküler imprint sol-jel polimer kaplı kuantum noktaların sentezi ve optik sensör uygulaması
Synthesis of quantum dots coated with molecularly imprinted sol-gel polymer for application of optical sensor
TANER ARSLAN
- 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
- Metal infiltre edilmiş mikro poroz karbon kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışının karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
GÜLTEKİN GÖLLER
Doktora
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN TEKİN
- Hibrit kompozitlerde farklı metal bağlantılarının yapıştırma özelliklerinin belirlenmesi
Determination of adhesive bonding properties of different metals in hybrid composites
HANDE OSMANOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL