Biyolojik nanogözeneklerden DNA geçişinde sinyal oluşumunun simülasyonu /
Yazar: MELEK KUNT HACIOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ALİ DİNLER
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Mikrogözenek = Microporous ; Modelleme = Modelling ; Sensörler = Sensors ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
Nanoteknoloji;  kullanım dalı sınırlandırması bulunmayan,  birçok alana etki eden ve bu bağlamda tıpta da çok sayıda muhtemel uygulamalarıyla yeni ve heyecan verici bir alandır. Tıpta; hastalıkların tanısı, ilaç salınımı, görüntüleme gibi farklı alanlarda rolü vardır. Nanotıptaki araştırmalar; biyosensörler, görüntüleme araçları, hedefe özel moleküler salınım araçları ve diğer faydalı biyolojik araçlar için fonksiyonel nanomateryallerin kullanımına odaklaklanır. 
Son yirmi yılda, iyonik akım modülasyonlarını izleyen yeni tekniklerin bulunması ile bir çeşit biyosensör olan biyolojik nanogözenekler, DNA molekülleri içindeki nükleotitleri tek tek çözme kabiliyetini göstermiştir. DNA sekans tanımlaması için biyolojik nanogözenek duyarlılığı ve gürültü seviyelerinde daha fazla iyileştirme gerekmektedir. Bu tez kapsamında Curli production assembly/transport component CsgG  (CsgG) , α-hemolysin (α-HL) , Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) ve Aerolysin (Ael) biyolojik nanogözeneklerinden tek sarmal DNA geçişi simülasyonları yapılmış ve gözenek yüzey yükü, iyon konsantrasyonu ve potansiyel farkın sinyaller üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Çalışmada tek sarmallı DNA silindir şeklinde bir çubuk (nanorod) olarak modellenmiştir.
Bu tez çalışmasında;
•4 farklı protein yapıda biyolojik nanogözeneklerde sinyal oluşumunun modellenmesi,
•Farklı konsantrasyonlarda sinyal oluşumlarının karşılaştırılması,
•Gözenek yüzey yükünün sinyal oluşumuna etkisi,
•DNA sekanslama işleminde sinyallerin kuvvetinin dört farklı biyolojik nanogözenek için kıyaslanması ve ayırt edici özelliklerin belirlenmesi
•Elektrik potansiyeli etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır.
Tezde, nanogözeneklerde sinyal oluşumu simülasyonlar ile ayrıntılı incelenmiştir. Sonlu Elemanlar (Finite Element Methot (FEM)) yöntemi olarak kullandığımız COMSOL Multiphysics, akışkan hızının belli bir bölgedeki değerini, iyonik konsantrasyon yoğunluğunu, elektrik potansiyeli ve iyon akısının değerini elde edebilmek için kullandığımız Poison-Nernst-Planck ve Navier-Stokes denklemlerini bir arada çözerek akım sinyalleri ve konsantrasyon dağılımları üzerinde etkili olan parametreleri analiz etmemize olanak sağlamaktadır. Parametreler arasındaki bu ilişkiler COMSOL'un Electrostatics, Transport of Diluted Species ve Creeping Flow modülleri kullanılarak tanımlanmıştır.

Abstract:
Nanotechnology is a new and exciting field which has no limitations, affects many fields and in this context with many possible applications in medicine. In medicine, it has a role in different fields such as diagnosis of diseases, drug release, imaging. Research in nanomedicine focuses on the use of functional nanomaterials for biosensors, imaging tools, targeted molecular release devices, and other useful biological tools.
In the last two decades with the discovery of new techniques that monitor ionic current modulations, biological nanopores, a type of biosensor, have demonstrated the ability to individually dissolve nucleotides within DNA molecules. Further improvements in biological nanopore sensitivity and noise levels are required for DNA sequence identification.
Within the scope of this thesis, single-stranded DNA migration simulations were made from Curli production assembly/transport component CsgG (CsgG), α-hemolysin (α-HL), Mycobacterium smegmatis porin A (MspA) and Aerolysin (Ael) biological nanopores and pore surface charge, ion concentration and the effects of potential difference on the signals were investigated. In the study, single-stranded DNA was modeled as a cylindrical rod (nanorod).
In this thesis it was aimed 
•to model the signal formation in biological nanopores in 4 different protein structures 
•to compare the signal formations at different concentrations 
•to the effect of the pore surface charge on the signal formation
•to compare the strength of the signals for four different biological nanopores in the DNA sequencing process and 
•to determine the distinguishing features and to investigate the effects of electric potential.
In the thesis, signal formation in nanopores was investigated in detail with simulations. COMSOL Multiphysics which we use as the Finite Element Method (FEM) method, solves the Poison-Nernst-Planck and Navier-Stokes equations, which we use to obtain the value of the fluid velocity in a certain region, the ionic concentration density, the electric potential and the ion flux. It allows us to analyze the parameters that affect the current signals and concentration distributions. These relationships between parameters are defined using COMSOL's Electrostatics, Transport of Diluted Species and Creeping Flow modules.