Geri Dön

Biosynthesis of pigment by bacteria isolated from antarctica

Antarktika'dan izole edilen bakterilerden pigment biyosentezi

PDF İndir

  1. Tez No: 994462
  2. Yazar: GÜLDEN AÇIL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FATMA ELİF GENCELİ GÜNER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kutup Bilimleri Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Antarktika, dünyanın en ekstrem koşulları olarak bilinen üzerinde henüz keşfedilmeyi bekleyen onlarca canlı, yapı ve oluşumuyla dünyanın her yerinden araştırmacının odak noktası olan bir bölgedir. Bugüne kadar gelişen insan teknolojisi, bu kıtanın sırlarının çözülmesiyle ufkumuzu adım adım bilinenin ötesinde bir aşamaya taşıma kapasitesi taşımaktadır. Günümüzün en önemli konularından sürdürülebilir yaşam ve temiz enerji teknolojileri ile insan ve gezegene ait koruma çalışmalarında bize yol gösterici bir ışık niteliği taşımaktadır. Mikroorganizmalardan, metabolitlere, okyanus yaşamı ve içerisindeki çeşitli habitatlara, jeolojik oluşumları ve madenlerinin zengin yapısına kadar her alanda bize derin bir araştırma, öğrenme ve teknolojiyi ileriye taşıyacak ilham ve fikirler sunan bu kıta için yapılan her bir çalışma hazine değeri taşımaktadır. Bu çalışma bu harika kıtada yaşayan mikroorganizmalara yönelik ilginin ve merakın bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. Antarktika çok sayıda farklı mikrobiyal topluluklara ev sahipliği yapmaktadır. Normal koşullar diyebileceğimiz dünyanın farklı ılıman bölgelerine kıyasla ekstrem koşullara karşı oluşturdukları adaptasyonlar sayesinde günümüzde dikkatle incelenmektedirler. Mikroorganizmalardan elde edilen doğal yapılı pigmentler üzerinde yapılan bilimsel incelemeler, bu mikroorganizmaların biyolojik olarak kolay parçalanabilirliği, laboratuvar ortamında kontrollü üretim kolaylığı ve çeşitli zengin içerikleri sebebiyle son yıllarda sentetik yapılı pigment üretimi yerine alternatif olarak düşünülerek hız kazanmıştır. Birçok araştırma mikrobiyal kaynaklı pigmentlerin biyomühendislik yollarla iyileştirilmesi ve metabolik oluşum yollarının yeterince anlaşılabilmesi üzerine bilimsel veri üretmekte ve organik pigmentlerin bitoteknolojik yararlanım yollarını iyileştirmeye yönelmiştir. Bu sayede insana ve ekosisteme zarar veren kimyasal pigmentlere dayalı teknolojiler yerini doğal çözümlere bırakmaya ve dönüşme amacına gitmeye başlamıştır. Günümüzde astaksantin, prodigiosin, viyolasein, piyosiyanin, zeaksantin ve aktinorhodin gibi çok sayıda bakteriyel pigment, modern tıpta yoğun biçimde araştırılmaktadır. Rekombinant DNA ve sentetik biyoloji yaklaşımları sayesinde, farklı doğal pigmentlerin bakteri konak hücrelerinde kontrollü biyosentezi pigment endüstrisinde mikrobiyal sentez çalışmalarını daha da güçlendirmektedir. Bu sayede pigment üretimi için geniş alanlara ve bakım zorlukları olan uzun süreli bitki yetiştirilmesine gerek kalmadan, laboratuvar ortamında bakteri kültürleri aracılığıyla benzer ürünler daha kısa sürede ve daha gelişmiş yapıda elde edilebilmektedir. Yapılarındaki özel antifriz proteinler, düşük sıcaklıklarda aktif kalabilen enzimler ve esnek membran yapıları, UV ve oksidatif strese karşı dayanıklılıkları, özel EPS adı verilen bileşenleri ile biyopolimer yapıda ürüne dönüşebilme potansiyelleri gibi özellikleriyle kutup bölgelerinden izole edilen psikrofilik ve psikrotrofik organizmalar geleceğin teknolojik dönüşümünde çok önemli bir yere sahiptir. Bakteriler tarafından sentezlenen karotenoid pigmentler, karbon iskelet uzunluklarına göre genel olarak C₃₀, C₄₀ ve C₅₀ sınıflarına ayrılmaktadır. β-karoten, likopen, β-kriptoksantin, zeaksantin, lutein, kantaksantin, astaksantin ve izorenieraten gibi bileşikler, dokuz izopren biriminden oluşan C₄₀ tetraterpen iskeletine sahip karotenoidlerdir. Uzun konjuge çift bağ zincirleri sayesinde bu C₄₀ karotenoidler güçlü antioksidan ve fotokoruyucu özellik göstererek hücreleri oksidatif ve foto-oksidatif strese karşı korumada önemli rol oynamaktadır. C₃₀ karotenoidler, altı izopren biriminden türeyen daha kısa zincirli pigmentlerdir ve özellikle Gram-pozitif bakterilerde tanımlanan 4,4'-diapophytoene, 4,4'-diapophytofluene, 4,4'-diapo-ζ-carotene, 4,4'-diaponeurosporene ve bu iskelete bağlı türevlerden stafiloksantin (staphyloxanthin) bu sınıfa aittir. Bu pigmentler genellikle zar yapısının desteklenmesi ve oksidatif strese karşı ek bir koruma sağlamasıyla ilişkilendirilmiştir. C₅₀ karotenoidler, on izopren biriminden oluşan daha uzun zincirli pigmentler olup daha nadir görülmekle birlikte özellikle ekstrem koşullara uyum sağlamış bakterilerde tanımlanmıştır. Corynebacterium glutamicum'un doğal sarı pigmenti olan dekaprenoksantin (decaprenoxanthin) C₅₀ karotenoidlere klasik bir örnek teşkil eder; bu pigmentin, diğer C₄₀ karotenoidler gibi plazma zarına entegre olduğu ve zar stabilitesi ile oksidatif strese karşı korunmada görev aldığı gösterilmiştir. Bu çalışmada Antarktika'nın Horseshoe, Hovgaard ve Nansen adalarından elde edilen buzul karotlarından izole edilen Rhodococcus fascians ve İtalyan Maria Zucchelli istasyonuna ait Ross denizinden izole edilen Brevibacterium sp. ve Microbacterium sp. üzerinde pigment aktivitelerini analiz etmek adına deneysel çalışmalar yer almaktadır. Bakterilerin ortam bileşenleri ve çevresel faktörlere verdikleri tepkileri araştırmak adına optimizasyon çalışması (Placcket-Burman Design-PBD) yürütülmüş, uygun pH ve sıcaklık değerleri araştırılmıştır. Kimyasal yapıyı belirlemek adına FTIR, UV-Vis, NMR ve TLC analizleri yapılmıştır. Antibakteriyal aktivitesi disk difüzyon yöntemi ile test edilmiş ve antioksidan kapasitesi üzerine DPPH (Serbest Radikal Süpürme Testi) testleri yapılarak bu çalışmada sonuçlara ait veriler paylaşılmıştır. Ross Denizi'nden izole edilen Brevibacterium suşlarına ait altı adet 16S rDNA dizisinin filogenetik analizi, Jukes–Cantor modeline dayalı maksimum olabilirlik yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ağaçta en yüksek olabilirlik değerine sahip topoloji değerlendirilmiş ve ilgili dallardaki bootstrap yüzdeleri ile birlikte sunulmuştur. Analiz sonuçları, Brevibacterium izolatlarına ait dört dizinin Brevibacterium anseongense dalı içerisinde kümelendiğini, kalan iki dizinin ise ağacın geri kalanından belirgin biçimde ayrıştığını göstermiştir. Bu iki dizinin konumu, izolatların B. anseongense'ye yakın, ancak ondan ayrılan ve muhtemel yeni bir türü temsil edebileceğini düşündürmektedir. Microbacterium izolatının 16S rDNA dizisi ise filogenetik ağaçta Microbacterium resistens ile yakın bir akrabalık göstermektedir; ancak ilgili düğümdeki düşük bootstrap değeri , bu yerleşimin istatistiksel olarak zayıf olduğunu ve izolatın filogenetik konumunun kesinleştirilebilmesi için ek dizi verisine ihtiyaç duyulduğunu ortaya koymaktadır.Bu ön filogenetik bulgular ışığında, söz konusu izolatların taksonomik konumlarının daha ayrıntılı ve güvenilir biçimde aydınlatılabilmesi için tüm genom dizileme verilerinin elde edilmesi ve karşılaştırmalı genomik analizlerin gerçekleştirilmesi planlanmaktadır. TAE II seferi kapsamında Türkiye'ye getirilen buzul karotlarından izole edilen Rhodococcus suşunun 16S rRNA gen dizisi belirlenmiş ve GenBank veri tabanına PP563783 erişim numarasıyla kaydedilmiştir. Yapılan BLAST analizi, dizinin Rhodococcus fascians tip suşuna (NR_125492.1) karşı %98,44 oranında nükleotid benzerliği gösterdiğini ortaya koymuştur. 16S rRNA dizilerine dayalı filogenetik ağaç, MEGA 11.0.8 yazılımı kullanılarak Maksimum Olabilirlik yöntemi ve Kamura-Tei modeli ile oluşturulmuş; dalların güvenilirliğini değerlendirmek amacıyla 100 bootstrap tekrarı uygulanmıştır. Üç farklı bakteri türü için literatür taranarak uygun deney koşulları ve optimal ekstraksiyon yöntemleri belirlenmeye çalışılmıştır. Brevibacterium sp., Microbacterium sp. ve Rhodococcus fascians izolatları üzerinde yürütülen ön ekstraksiyon denemeleri sonucunda, görünür ışıkta inkübasyonun karanlık koşullara kıyasla bakteriyel biyokütleyi artırdığı, ancak elde edilen pigmentlerin ışığa maruz kaldıklarında fotostabilitelerinin azaldığı ve belirgin fotodegradasyona uğradıkları gözlemlenmiştir. Spektroskopik olarak, R. fascians türünden elde edilen pigment yapısı için 456 nm'de literatürdeki karotenoid yapılı pigment varlığını göstermektedir. Brevibacterium sp. 405-408 nm dalga boyunda karotenoid türevi bir pigment olan isorenieraten yapısı ile ve Microbacterium sp. için 407-417 nm dalga boyunda önceki çalışmalarda da belirtilen karotenoid türevi bir pigment olan nörosporen yapılı pigment benzerliği dikkat çekmektedir. Üç farklı bakteri türü için en verimli üretim koşullarını belirlemek amacıyla bir optimizasyon çalışması yürütülmüştür. En yüksek toplam karotenoid konsantrasyonu Rhodococcus fascians'ta (485,00 µg/g) elde edilmiş, bunu Microbacterium türleri (179,89 µg/g) ve Brevibacterium türleri (63,62 µg/g) izlemiştir. İzolatlardan pigmentler çıkarılmış ve antimikrobiyal aktiviteleri hem Gram (+) hem de Gram (-) bakterileri inhibe ettiği belirlenmiştir. Aktinomiset sınıfına ait olan bu üç bakteri türüne ait pigment çalışmalarında FTIR spektrumlarında 2920–2850 cm⁻¹ aralığında alifatik C–H gerilmeleri, 1700–1730 cm⁻¹ bölgesinde karbonil (C=O) ve 1600–1650 cm⁻¹ civarında konjuge C=C bantlarının gözlenmesi, tüm pigmentlerin karotenoid iskeletine sahip olduğunu desteklemektedir. DPPH serbest radikal süpürme testi ile Rhodococcus fascians pigmenti için ayrıntılı olarak değerlendirilmiştir. DPPH inhibisyonu %17,46'dan %84,99'a yükselmiş, lineer regresyon analizi ile IC₅₀ değeri =0,36 µg/µL ile yüksek antioksidan özellikler sergilemiştir (R²=0,8817). Rhodococcus fascians pigment ekstraktının ¹H NMR spektrumunda 5–7 ppm aralığında yoğun vinilik proton sinyalleri, ¹³C NMR'de ise 120–140 ppm aralığında belirgin sp² karbon sinyalleri gözlenmiş, bu da literatürde Rhodococcus türlerinden bildirilen karotenoid pigment karışımlarıyla uyumlu izoprenoid iskeletini desteklemektedir. Uzay ortamı ve Antarktika gibi ekstrem ortamlarda yapılan mikrobiyal çalışmalar, mikroorganizmaların normal koşullara kıyasla adaptasyon yeteneklerini ortaya koymaktadır. Biyofilm oluşumundan, doğal polimerlere, doğal karotenoid özellikli pigmentlerin kullanım alanlarına kadar, uzay ortamında mevcut sorunlara çözüm arayışında Antarktika kökenli mikroorganizmaların araştırılması oldukça değerlidir. Önümüzdeki yıllarda Ay ve Mars'a gerçekleştirilecek seferlerde, mikroorganizmalara dayalı geliştirilecek teknolojik çözümler sayesinde enfeksiyonların önlenmesi, hücre bozunumunun azaltılması, atıkların geri dönüştürülmesi, radyasyona karşı korunma ve gıda içeriklerinin iyileştirilmesi gibi önemli kazanımlar elde edilebilecektir.

Özet (Çeviri)

Known as one of the world's most extreme environments, Antarctica is a region that has attracted researchers from around the world, boasting dozens of creatures, structures, and formations yet to be discovered. Human technology, as it has developed to date, has the capacity to gradually expand our horizons beyond the known by unlocking the mysteries of this continent. It serves as a guiding light for us in sustainable living and clean energy technologies, which are among the most important issues of our time, as well as in the protection of people and the planet. Every study done for this continent is a treasure, providing inspiration and ideas to advance deep research, learning and technology in every field, from microorganisms and metabolites to ocean life and its diverse habitats, from geological formations to the rich structure of its minerals. This study emerged as a result of interest and curiosity in the microorganisms living on this remarkable continent. Antarctica hosts a diverse range of microbial communities, and the ways these communities adapt to extreme conditions compared to what we might call the world's normally temperate regions is being closely studied today. Due to the microorganisms' easy biodegradability, ease of controlled production in a laboratory setting, and rich variety of contents, scientific research on natural pigments derived from microorganisms has gained momentum in recent years as an alternative to synthetic pigment production. Many studies are focused on improving microbial pigments by bioengineering methods and generating scientific data on the adequate understanding of their metabolic formation pathways and on improving the biotechnological utilization of organic pigments. As a result, technologies based on chemical pigments, which harm humans and the ecosystem, are beginning to give way to natural solutions and transform. In this study, pigment activities on Rhodococcus fascians isolated from ice cores from the Horseshoe, Hovgaard, and Nansen Islands of Antarctica, as well as Brevibacterium sp. and Microbacterium sp. isolated from the Ross Sea that belong to the Italian Maria Zucchelli Station, are analyzed experimentally. An optimization study (Plackett-Burman Design-PBD) was carried out to investigate the responses of bacteria to medium components and environmental factors, and appropriate pH and temperature values were investigated. To ascertain the chemical structure, FTIR, UV-Vis, NMR, and TLC analyses were carried out. The disk diffusion method was used to test its antibacterial activity, and DPPH (Free Radical Scavenging Test) tests were performed to determine its antioxidant capacity, and the results were shared in this study. Spectroscopically, the pigment structure obtained from R. fascians shows the presence of a carotenoid-based pigment at 456 nm, as reported in the literature. The structure of isorenieratene, a carotenoid-derived pigment, at 405-408 nm in Brevibacterium sp., and neurosporene, a carotenoid-derived pigment also reported in previous studies, at 407-417 nm in Microbacterium sp., are strikingly similar. An optimization study was conducted to determine the most efficient production conditions for three different bacterial species. The highest total carotenoid concentration was obtained in Rhodococcus fascians (485.00 µg/g), followed by Microbacterium sp. (179.89 µg/g) and Brevibacterium sp. (63.62 µg/g). Pigments were extracted from the isolates and their antimicrobial activities were determined to inhibit both Gram (+) and Gram (-) bacteria. FTIR spectra for pigment production in these three Actinomycete bacterial species confirmed the presence of functional groups associated with carotenoid-like pigments. The FTIR analysis revealed strong O-H, C-H, and C=O stretching vibrations, which supported the pigment structures suggested by the UV-Vis data. DPPH was evaluated in detail for Rhodococcus fascians pigment by the free radical scavenging test. DPPH inhibition increased from 17.46% to 84.99%, indicating high antioxidant properties with IC₅₀ value = 0.36 µg/µL based on linear regression analysis (R²=0.8817). Further analysis of the chemical structure of the pigment obtained from R. fascians using Fourier transform infrared (FTIR) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy revealed that it was a carotenoid pigment of the zeaxanthin and lutein varieties. Microbial studies conducted in extreme environments like space and Antarctica demonstrate that microorganisms are more adaptable than their counterparts living under normal conditions. Researching Antarctic-origin microorganisms is very valuable in the search for solutions to existing problems in the space environment, from biofilm formation to natural polymers and the use of natural carotenoid pigments. Expeditions to the Moon and Mars will be able to make significant gains in the coming years, such as preventing infections, reducing cell decay, recycling waste, protecting against radiation, and improving food content, thanks to microorganism-based technological solutions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    943429

    Hipersalin ortamlardan izole edilen mikroorganizmaların melanin üretimi açısından taranması, üretim optimizasyonu ve yapısal-biyolojik özelliklerin belirlenmesi

    Screening of microorganisms isolated from hypersaline environment for melanin production, optimization and determination of structural-biological properties

    PERVİN SOYER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    MikrobiyolojiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMRA İLHAN

  2. Tez No

    1005901

    Bafra ovası çeltik tarlalarının aktinobakteri biyoçeşitliliğinin belirlenmesi ve konumsal dağılım haritalanması

    Determination of actinobacteria biodiversity and spatial distribution mapping of bafra plain rice fields

    ALİ TOKATLI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    MikrobiyolojiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Toprak Bilimi ve Bitki Besleme Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAMİL IŞIK

  3. Tez No

    892345

    Biosynthesis of high value-added carotenoids by engineered microorganisms

    Tasarlanmış mikroorganizmalar ile katma değeri yüksek karotenoidlerin biyosentezi

    NURİYE ARSLANSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyoteknolojiAbdullah Gül Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZKAN FİDAN

  4. Tez No

    540407

    Sentetik bir ekosistem oluşturarak çoğunluğu algılama mekanizmasına bağlı violasein üretimi

    Quorum sensing mechanism dependent violacein production by constructing a synthetic ecosystem

    IVONA POCRNJA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    BiyomühendislikFırat Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. VENHAR ÇELİK

  5. Tez No

    389231

    Evolutionary engineering of Rhodobacter sphaeroides under selective CoCl 2 stress

    Evrimsel mühendislik yöntemi ile Rhodobacter sphaeroides'in CoCl 2 stresine dirençli suşlarının eldesi

    HANAY KAMER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR

Geri Dön