Akıllı yüzeylerde tür içi-türler arası quorum algılama engellenmesiyle biyofilm oluşumunun önlenmesi
Prevention of biofilm formation on smart surfaces by inhibition of intraspecific-interspecific quorum sensing
Yazar: SEVAL BAL BAYRAK
Danışman: DOÇ. DR. NAZMİYE ÖZLEM ŞANLI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Temel ve Endüstriyel Mikrobiyoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyoloji = Biology ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mikrobiyoloji = Microbiology
Dizin: Akıllı malzemeler = Intelligent materials ; Bakteriyoloji = Bacteriology ; Biyofilmler = Biofilms ; Listeria monocytogenes = Listeria monocytogenes ; Pseudomonas aeruginosa = Pseudomonas aeruginosa ; Quorum sensing = Quorum sensing ; Yüzey kaplama = Surface coating

Özet:
Mikroorganizmalar zorlu çevresel koşullara karşı biyofilm adı verilen ve matris ile çevrelenmiş bir yapı oluştururlar. Biyofilm yapısı, mikroorganizmaların hayatta kalmalarını sağlarken matris içerisindeki moleküler sinyaller aracılığıyla da birbirleriyle iletişim kurmalarına olanak tanır. Biyofilm, insan vücudunda oluşturduğu hasarlardan endüstride neden olduğu problemlere kadar hayatın birçok alanını etkilemektedir. Su dağıtım sistemleri, gıda üretim ve paketleme endüstrisi, deniz taşımacılığı endüstrisi gibi alanlar biyofilm oluşumundan olumsuz etkilenen sektörlerin başında gelmektedir. İçme suyu sistemlerinde Pseudomonas aeruginosa, gıda endüstrisi için Listeria monocytogenes ve deniz endüstrisinde Vibrio campbellii genellikle biyofilmlerde rastlanan ve ilgili sektörler için bir risk göstergesi olarak değerlendirilip, biyofilm oluşumunun engellenmesindeki çalışmalarda değerlendirmeye dahil edilen mikroorganizmalardır. 
Her bir çevresel koşula özgü farklı mikroorganizma türlerini barındırabilen biyofilmleri önlemek için ilerleyen teknoloji ile yeni ve sürdürülebilir yöntemler geliştirilmeye devam edilmektedir.  Bu yöntemlerden biri de akıllı yüzey kaplamalarıdır. Akıllı yüzey kaplamaları ile farklı fonksiyonel özellikler kazandırılmış yüzeylerle biyofilm oluşumunun erken aşamada ve yerinde önlenmesi hedeflenmektedir. 
Çalışmamızda cam yüzeyler, boronik asit-polietilenglikol, zwitteriyonik, kuaternar amonyum ve perfloro alkol bileşiklerinin silan ile fonksiyonelleştirilmiş formları sol-jel yöntemi kaplanmıştır. Böylelikle yüzeylere kirlilik önleyici protein adsorbsiyonu, süperhidrofobiklik, baktersidal etki ve quorum algılmayı önleyici etki gibi özellikler kazandırılmıştır. Kaplama yapılmış yüzeyler L. monocytogenes, P. aeruginosa ve V. campbellii bakterilerinin tek tür, iki tür ve üç tür karışım biyofilmlerine karşı test edilmiştir. Kaplama öncesinde kimyasalların biyofilm oluşumunu azaltan ve quorum algılmayı inhibe edici dozları belirlenmiştir. 4 haftalık (28 günlük) biyofilm deneylerinde, 7., 14., 21., ve 28. günlerde kaplama yapılmış ve yapılmamış yüzey örnekleri; i) kültüre dayalı yöntemler, ii) spektrofotometrik yöntemler ve iii) mikroskobik yöntemler kullanılarak değerlendirilmiştir. 
Gerçekleştirilen analizler sonucunda, kimyasalların karışım halinde uygulanmasının düşük dozlarda bile etkinin elde edilmesini sağladığı belirlenmiştir. Karışım halindeki kimyasalların biyofilm oluşumunu azalttığı ve quorum algılamanın inhibisyonunda etkili olduğu belirlenmiştir. Yüzey kaplama, 28 günlük deney süresince tek tür ve çoklu tür biyofilmlerde biyofilm oluşumunu %90 oranında engellemiştir. Bunun yanından gerçekleştirilen EPS ve c-di-GMP analizlerinde de bu bileşiklerin konsantrasyonlarının azaldığı belirlenmiştir. Veriler normal dağılım göstermiş (p >0,05) ve deney ve kontrol örnekleri arasında anlamlı fark (p <0,05) bulunmuştur.
Elde edilen veriler ışığında, geliştirilen kaplama teknolojilerinin uygulanabilirliği, saha çalışmalarında test edilerek, biyofilmle mücadeleye katkılar sağlanabileceği öngörülmektedir. Özellikle, quorum algılamanın inhibisyonu gibi spesifik yaklaşımların geliştirilmesi, biyofilmlerin etkili bir şekilde engellenmesine yardımcı olabilir. Quorum algılamanın inhibe edilmesi hem türe özgü yöntemler geliştirilmesine olanak tanımakta hem de yüzeye tutunan bakterilerin diğer türlerle ile iletişime geçmesin sağlayan sinyalleri bloklamaktadır. Böylelikle bakteriler yüzeye tutunsa bile biyofilm oluşturma kapasitleri önemli ölçüde engellenmiş olmasını sağlayacaktır. Bununla birlikte akıllı yüzeylerin kullanılması, biyofilmin yerinde yok edici kimyasallara maruz kalması, sürekli kimyasal kullanımının azaltılması, çevre üzerinde olumsuz etkilerin önüne geçilmesi açısından önemlidir. Akıllı yüzey kaplamaları, sürdürülebilir ve çevreci bir biyofilmle mücadele stratejisinin geliştirilmesine katkı sağlayabilir.

Abstract:
Microorganisms form structures called biofilms, which are surrounded by a matrix, to withstand harsh environmental conditions. The biofilm structure allows microorganisms to survive and communicate with each other through molecular signals in the matrix. Biofilm affects many areas of life, from the damage it causes to the human body to the problems it causes in industry. Sectors such as water distribution systems, food production and packaging industries, and marine transportation are notably affected by biofilm formation. Pseudomonas aeruginosa in drinking water systems, Listeria monocytogenes in the food industry, and Vibrio campbellii in the marine industry are microorganisms often found in biofilms and are considered as risk indicators for the relevant sectors and included in the evaluation of biofilm prevention efforts.
New and sustainable methods continue to be developed with advancing technology to prevent biofilms, which can harbor different types of microorganisms specific to each environmental condition. One of these methods is smart surface coating. It is aimed to prevent biofilm formation at an early stage and in situ by surfaces endowed with different functional properties by smart surface coatings.
In our study, glass surfaces were coated using the sol-gel method with boronic acid-polyethylene glycol, zwitterionic, quaternary ammonium, and perfluoro alcohol compounds functionalized with silane. Thus, the surfaces were imparted properties such as antifouling protein adsorption, superhydrophobicity, bactericidal effect, and quorum sensing inhibitory effect.The coated surfaces were tested against single-species, dual-species, and triple-species biofilms of L. monocytogenes, P. aeruginosa, and V. campbellii. Prior to coating, the doses of the chemicals that reduce biofilm formation and inhibit quorum sensing were determined. During 4-week (28-day) biofilm experiments, samples of coated and uncoated surfaces were evaluated on the 7th, 14th, 21st, and 28th days using i) culture-based methods, ii) spectrophotometric methods, and iii) microscopic methods.
As a result of analysis revealed that application of chemicals in mixtures was effective even at low doses. The mixed chemicals were found to reduce biofilm formation and to be effective in the inhibition of quorum sensing. Surface coating prevented biofilm formation by 90% in both single-species and multi-species biofilms over the 28-day experimental period. Additionally, EPS and c-di-GMP analyses showed a decrease in the concentrations of these compounds. The data exhibited a normal distribution (p> 0.05), and there was a significant difference between the experimental and control samples (p <0.05).
In light of the obtained data, it is projected that the applicability of the developed coating technologies can be tested in field studies to contribute to biofilm control. In particular, the development of spesific approaches, such as quorum sensing inhibition can help to effectively prevent biofilm formation. Inhibiting quorum sensing allows for the development of species-specific methods and blocks the signals that enable bacteria adhered to surfaces to communicate with other species. Thus, even if bacteria adhere to the surface, their capacity to form biofilms is significantly impeded. Furthermore, the use of smart surfaces is important for exposing biofilms to localized destructive chemicals, reducing continuous chemical use, and minimizing negative environmental impacts. Smart surface coatings can contribute to the development of a sustainable and environmentally friendly biofilm control strategy.