Mağara bakterilerinden üretilen organik antibiyotiklerin antimikrobiyal ve antibiyofilm etkilerinin incelenmesi
Investigation of antimicrobial and antibiofilm effects of organic antibiotics produced from cave bacteria
Yazar: KADRİYE BUŞRA KARATAY
Danışman: PROF. DR. FAZİLET ZÜMRÜT BİBER MÜFTÜLER
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı / Nükleer Uygulamalar Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enfeksiyon Hastalıkları ve Klinik Mikrobiyoloji = Infectious Diseases and Clinical Microbiology ; Radyoloji ve Nükleer Tıp = Radiology and Nuclear Medicine

Özet:
Enfeksiyon hastalıklarının tedavisinde uzun yıllardır antibiyotikler kullanılmaktadır. Ancak dünyada ve ülkemizde yanlış ve gereksiz antibiyotik kullanımının yaygınlaşması sonucu, antibiyotik direncinde hızlı bir artış görülmektedir. Bu sebeple, özellikle biyofilm yapıdaki mikroorganizmalara karşı ve enfeksiyon kaynaklı hastalıkların tanı ve tedavisinde yenilikçi yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yenilikçi yaklaşımlardan biri; aynı zamanda projemizin konusu olan "günümüz sentetik antibiyotiklere alternatif, mağara bakterilerinden organik antibiyotiklerin izolasyonu ve antibiyofilm etkilerinin araştırılması" üzerinedir. 
Önerilen projede, bu konu üzerinde odaklanılmış ve mağara bakterilerden izole edilen organik antibiyotiklerin antibiyofilm etkilerinin, önceden oluşturulmuş bir biyofilm modeli üzerinde, bir radyonüklid vasıtasıyla belirlenmesi tasarlanmıştır.
Antibiyotiklere karşı direnç gösteren bakteriler ile biyofilm arasındaki ilişkiyi bilmek enfeksiyon hastalıklarının önlenmesinde çok önemlidir. 
Biyofilm, mikroorganizmaların canlı veya cansız bir yüzeye yapışarak, kendi ürettikleri organik bir ekzopolisakkarid matriks içine gömülü olduğu, hareketsiz bir şekilde birbirine bağlı veya bir katı veya ara yüzeye tutunmuş bir mikroorganizma topluluğunu ifade eder. Biyofilm, genellikle bakterilerin yanı sıra diğer mikroorganizmaların da katılımıyla oluşabilir.
Nükleer Tıp'ta kullanılan bazı radyonüklidler, görüntü işlevselliğinin yanı sıra hedefe yönelik ilaçların geliştirilmesine yönelik, kanserli veya enfeksiyonlu dokular tarafından seçici olan moleküller ile radyoişaretlenerek, bu dokulara yönlendirilebilirler. Bu çalışmada organik antibiyotikler, Nükleer Tıp'ta tanı ve tedavi amaçlı kullanılan 131I (İyot-131) radyonüklidi (364 keV Eγ ve t1/2= 8 gün) ile radyoişaretlenecektir. Literatürden İyot molekülünün anti-inflamatuar etkinliği olduğu bilinmektedir. Dolayısıyla 131I ile radyoişaretli izole edilmiş organik antibiyotiklerin, enfekte bölgedeki biyofilm tabakalarının kırınımına ve enfekte bölgenin tanı ve tedavisine yönelik bir cevap verecekleri düşünülmektedir. Dünyada ve ülkemizde çok fazla sayıda keşfedilmeyi bekleyen mağaraların olduğu bilinmektedir. Tez Projesi kapsamında; ülkemizde araştırılması henüz tamamlanmamış Mersin'in Anamur ilçesindeki "Morca Düdeni Mağarası"ndan toprak ve mağara yüzey sürüntü örneklerinin toplanması ve toplanan örneklerdeki bakterilerin izole edilmesi planlanmıştır. Öncelikle, izole edilen bakterilerden antimikrobiyal duyarlılığa sahip olan suş(ların) seçilerek antibiyotik üretip üretmedikleri tespit edilmiştir. Akabinde bu bakterilerce üretilen organik antibiyotiklerin bakteri besi ortamından izolasyonu, izole edilen organik antibiyotiklerin altı farklı patojen mikroorganizmalar (Escherichia coli (ATCC 9637), Staphylococcus aureus (ATCC 29213), Pseudomonas aeruginosa (ATCC 39327), Vancomycin Resistant Enterococci (ATCC MP-1), SCCmec Type MRSA (ATCC MP-2), Candida albicans (ATCC 10231)) üzerindeki tutulumu incelenmiştir. İzole edilen organik antibiyotiklerin 131I radyonüklidi ile radyoişaretlenmesi, radyoişaretli antibiyotiklerin bu patojen mikroorganizmalar üzerindeki antibiyofilm etkileri Kantitatif Mikrodilüsyon Yöntemi ile oluşturulmuş Biyofilm modeli üzerinde gösterilmiştir. Tüm deneysel çalışmaların sonuçları, kontrol grubu olarak seçilen 131I radyoişaretli sentetik türevleriyle kıyaslanmıştır.
Çalışmanın özgün değerini el değmemiş mağara kökenli organik antibiyotiklerin, bir radyonüklid ile radyoişaretlenerek antibiyofilm etkilerinin izlenmesi oluşturmaktadır. Türkiye'de mağara mikroçevresine yönelik birçok çalışma olmasına rağmen, mağara ekosistemine yönelik çalışmaların genellikle tür tayiniyle kısıtlı kaldığı görülmektedir. 
Genel kapsamı itibariyle pre-klinik nitelikteki organik antibiyotiklerin eldesi ve radyoişaretli organik antibiyotiklerin sentezi üzerine kurgulanan tez projesinin; enfeksiyon temelli biyofilm tabakasının kırınımı odaklı yeni nesil antibiyotikler üzerine yapılan bilimsel çalışmalara önemli bir katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Aynı zamanda gerçekleştirilen tez çalışması ile organik antibiyotiklerin ve radyoişaretli türevlerinin enfeksiyona yönelik ve biyoteknolojik ilaç geliştirme çalışmalarına yenilikçi bir bakış açısı katacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Antibiotics have been used in the treatment of infectious diseases for many years. However, because of the widespread use of wrong and unnecessary antibiotics in the world and in our country, there is a rapid increase in antibiotic resistance. For this reason, innovative approaches are needed especially against biofilm microorganisms and in the diagnosis and treatment of infectious diseases. One of these innovative approaches is "isolation of organic antibiotics from cave bacteria as an alternative to today's synthetic antibiotics and investigation of their antibiofilm effects", which is also the subject of our project. 
In the proposed project, we focused on this issue and designed to determine the antibiofilm effects of organic antibiotics isolated from cave bacteria by means of a radionuclide on a pre-established biofilm model.
Knowing the relationship between antibiotic resistant bacteria and biofilm is very important in the prevention of infectious diseases. Biofilm is a community of microorganisms embedded in an organic exopolysaccharide matrix of their own production, adhering to a living or non-living surface, immobilized, and attached to each other, a solid or an interface. One of the most important characteristics of bacteria in biofilm is that they can survive the host response and show resistance to antibiotics.
Some radionuclides used in Nuclear Medicine can be directed to these tissues by radiolabelling with molecules that are selective by cancerous or infected tissues for the development of targeted drugs as well as image functionality. In this study, organic antibiotics will be radiolabelled with 131I (Iodine-131) radionuclide (364 keV Eγ and t1/2= 8 days) used for diagnosis and treatment in Nuclear Medicine. It is known from the literature that Iodine molecule has anti-inflammatory activity. Therefore, it is thought that isolated organic antibiotics radiolabelled with 131I will respond to the breakdown of biofilm layers in the infected area and the diagnosis and treatment of the infected area.
It is known that there are many caves waiting to be explored in the world and in our country. Within the scope of the project, it is planned to collect soil and cave surface swab samples from the "Morca Düdeni Cave" in Anamur district of Mersin, which has not yet been investigated in our country, and to isolate the bacteria in the collected samples. In the project, firstly, the strain(s) with antimicrobial susceptibility will be selected from the isolated bacteria and it will be determined whether they produce antibiotics or not. Subsequently, isolation of organic antibiotics produced by these bacteria from bacterial growth media, isolation of isolated organic antibiotics from six different pathogenic microorganisms (Escherichia coli (ATCC 9637), Staphylococcus aureus (ATCC 29213), Pseudomonas aeruginosa (ATCC 39327), Vancomycin Resistant Enterococci (ATCC MP-1), SCCmec Type MRSA (ATCC MP-2), Candida albicans (ATCC 10231)). Radiolabelling of the isolated organic antibiotics with 131I radionuclide and the antibiofilm effects of radiolabelled antibiotics on these pathogenic microorganisms will be demonstrated on the Biofilm model formed by Quantitative Microdilution Method. The results of all experimental studies will be compared with synthetic and 131I radiolabelled derivatives by purchasing commercially available synthetic derivatives of organic antibiotics isolated as control group.
The unique value of the study is the monitoring of the antibiofilm effects of untouched cave-derived organic antibiotics by radiolabelling with a radionuclide. While there are few studies on the isolation of cave bacteria in the literature, there is no study on the isolation of organic antibiotics from these bacteria. In Turkey, although there are many studies on cave microenvironment, studies on cave ecosystem are generally limited to species identification. 
It is thought that the project, which is based on the synthesis of pre-clinical organic antibiotics and the synthesis of radiolabelled organic antibiotics, will make an important contribution to scientific studies on new generation antibiotics focused on the breakdown of the infection-based biofilm layer. At the same time, it is thought that the proposed study will add an innovative perspective to the development of organic antibiotics and radiolabelled derivatives for infection and biotechnological drug development studies.