Bazı beta laktam antibiyotiklerin tayini için alternatif yaklaşım: Yeni bir nanobiyokatalitik  biyosensör sistemi
An alternative approach for determination of some beta lactam antibiotics: A novel nano biocatalytic biosensor
Yazar: EZGİ BAYRAM
Danışman: PROF. DR. EROL AKYILMAZ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyokimya Ana Bilim Dalı / Biyokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyokimya = Biochemistry
Dizin: Antibiyotikler = Antibiotics ; Antibiyotikler-laktam = Antibiotics-lactam ; Beta laktamazlar = Beta lactamases ; Biyosensörler = Biosensors ; Laktamlar = Lactams ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanotüp = Nanotube ; Penisilin G = Penicillin G

Özet:
Penisilin G tayini mikrobiyolojik, spektrofotometrik ve kromatografik yöntemlerle yapılmaktadır. Bu yöntemler ön işlemler ve pahalı ekipmanlar içermenin yanı sıra zaman alıcı yöntemlerdir. Ancak nanoyapılar ve mikroorganizmaların kullanımı ile geliştirilen nanobiyokatalitik mikrobiyal biyosensörlerin kullanılması ile hızlı, duyarlı, ucuz ve seçimli antibiyotik tayini yapılabilir.  
Bu tez çalışmasında penisilin G tayinine yönelik nanobiyokatalitik bir mikrobiyal biyosensör sistemi geliştirilmiştir. Çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) ve polivinil alkol (PVA) dispersiyonu üzerine Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 ile Camsı karbon elektrot (CKE) yüzeyine tutuklama yolu ile immobilizasyon gerçekleştirilmiştir. Sonrasında elektrot iletkenlikte artış sağlanması amacıyla altın nanopartiküllerin (AuNPs) immobilizasyonu gerçekleştirilmiştir. Mikrobiyal biyosensör ölçümleri Diferansiyel Puls Voltametri (DPV) yöntemi ile benzokinon çözeltisi varlığında penisilin G konsantrasyonundaki değişime bağlı izlenmiştir. Penisilin G tayinine yönelik geliştirilen nanobiyokatalitik mikrobiyal biyosensöründe MWCNT miktarı, PVA miktarı, Pseudomonas aeruginosa miktarı, AuNPs miktarının mikrobiyal biyosensör cevabına etkisi araştırılmıştır. Mikrobiyal biyosensörün çalışma koşullarına ilişkin optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiş olup optimum sıcaklık, pH, konveksiyon süresinin optimizasyonuna yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen CKE/MWCNT-PVA-P.aeruginosa/AuNPs mikrobiyal biyosensörünün karakterizasyonuna yönelik yapılan çalışmalar kapsamında ise mikrobiyal biyosensörün hazırlanma aşamalarını takiben yüzey karakterizasyonunun belirlenmesine ilişkin impedans ve döngüsel voltametrik yöntemler kullanılarak çalışmalar yapılmıştır. DPV çalışma potansiyeli  -0,1 / +0,5 V olarak bulunmuştur. Optimizasyon ve karakterizasyon çalışmaları DPV yöntemi ile yapılmıştır. Mikrobiyal biyosensörün çalışma koşullarının optimizasyonu denemeleri yapılmış ve optimum sıcaklık 35 °C, optimum pH: 7,5 (potasyum fosfat tamponu, 50 mM) olarak bulunmuştur. Mikroorganizma konsantrasyonunun biyosensör cevabı üzerine etkisi incelenmiştir. Yapılan karakterizasyon çalışmaları neticesinde mikrobiyal biyosensörün doğrusal tayin aralığı 100-1000 nM olarak bulunmuştur. Tekrarlanabilirlik denemesinde mikrobiyal biyosensörün 250 nM penisilin G için (n=10) ortalama (𝑥), standart sapma (±S.S.) ve % varyasyon katsayısı (%VK) değerleri sırasıyla 297,36 nM, ±13,12 nM ve %4,41 olarak bulunmuştur. Mikrobiyal biyosensör ile substrat spesifikliği, girişim etkisi ve depo kararlılığı denemeleri yapılmıştır. Ayrıca kazeinsiz süt ve yoğurt suyu örneklerinde penisilin G tayinine yönelik çalışmalar yapılmıştır.

Abstract:
Microbiological, spectrophotometric, and chromatographic techniques are used to determine penicillin G. These procedures are time-consuming, and they require pre-processing and costly equipment. Rapid, sensitive, affordable, and selective antibiotic determination can be made using nanobiocatalytic microbial biosensors built with nanostructures and microorganisms.
A nanobiocatalytic microbial biosensor system for the detection of penicillin G was created in this thesis. By arresting on the glassy carbon electrode (CKE) surface, Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442 was immobilized on a dispersion of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and polyvinyl alcohol (PVA). The electrode conductivity was then increased by immobilizing gold nanoparticles (AuNPs). The Differential Pulse Voltammetry (DPV) approach was used to monitor microbial biosensor data based on changes in penicillin G concentration in the presence of benzoquinone solution. In the nanobiocatalytic microbial biosensor created for penicillin G measurement, the impacts of MWCNT amount, PVA amount, Pseudomonas aeruginosa amount, and AuNPs amount on microbial biosensor response were examined. Studies were carried out to determine the optimum temperature, pH, and convection time for the microbial biosensor's working conditions. The surface characteristics of the proposed CKE / MWCNT-PVA-P.aeruginosa/AuNPs microbial biosensor was determined using impedance and cyclic voltammetric methods following the fabrication phases of the microbial biosensor. The working potential of the DPV was found to be -0.1 and +0.5 V. The DPV approach was used to carry out optimization and characterisation experiments. The best temperature for the microbial biosensor's working conditions was determined to be 35 °C, and the optimum pH was discovered to be 7.5. (potassium phosphate buffer, 50 mM). Biosensor responsiveness was studied in relation to microorganism concentration. The linear detection range of the microbial biosensor was discovered to be 100-1000 nM as a result of the characterisation studies. In the repeatability experiments average value (x), standard deviation (SD), and coefficent of variation (CV %) values for the 250 nM penicilin G (n=10) by the microbial biosensor were calculated to be 297.36 nM, ±13.12 nM, and 4.41  % percent, respectively. A microbial biosensor was used to test substrate specificity, interference effect, and storage stability. In addition, experiments on the measurement of penicillin G in casein-free milk and yogurt juice samples were carried out.