Metal yüklenmiş bor nitrür nano plakalar ile nörotransmitter amino asit adsorpsiyonu: Nöral hastalık ön tanı sistemi üzerine DFT çalışması
Neurotransmitter amino acid adsorption by metal decorated boron nitride nanosheets: DFT study on neural disease prediagnosis system
Yazar: BUĞRACAN BALKANLI
Danışman: PROF. DR. MEHMET FERDİ FELLAH
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Nöroloji = Neurology

Özet:
Gama a minobütirik asit (GABA) ve Glutamat (Glu) memelilerin merkezi sinir sistemindeki önemli nörotransmiterlerdir. GABA ve Glu arasındaki konsantrasyon dengesi, daha genel ifadeyle uyarıcı ve inhibitör dengesi, nöral aktivitelerin düzgün çalışması için çok önemlidir. Bu dengenin bozulması nöral hastalıkların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu nörotransmiterlerin davranışlarını ve etkileşimlerini anlamak yeni ve etkili tedavi metotları geliştirmeye olanak sağlar. Bor nitrür nano plakalar (BNNS'ler), çeşitli uygulamalar için yüksek termal iletkenlikleri, aynı zamanda elektrik yalıtımı ve aşırı termal ve kimyasal stabiliteleri nedeniyle pek çok alanda tercih edilmektedir. BNNS sahip olduğu bu özellikler ile ideal bir biyosensör adayıdır. Biyosensör, reaksiyondaki bir analitin konsantrasyonuyla orantılı sinyaller üreterek biyolojik veya kimyasal reaksiyonları ölçen bir cihazdır. Bu çalışmada, saf ve demir (Fe), bakır (Cu) ve platin (Pt) metal katkılı bor nitrür nano plaka (BNNS) yapıları, gama amino bütirik asit (GABA) ve Glutamat (Glu) molekülleri için biyosensör, adsorban ve sinir hastalıkları ön teşhis sisteminin olasılığı Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) ile araştırılmıştır. DFT hesaplamaları, değişim ve kolerasyon etkilerini hesaba katan WB97XD hibrit yöntemi ile yapılmıştır. BNNS'nin hem bor (B) hem de nitrojen (N) atomlarının yerini alacak şekilde metal atomları katkılanmıştır. GABA ve Glu adsorpsiyonu sonrasında yapıdaki tüm adsorpsiyon enerjileri tüm yapılar için negatif değerler olarak hesaplanmıştır. En düşük adsorpsiyon enerjisi ve entalpi değerleri sırasıyla -42,1 kcal/mol ve -42,7 kcal/mol'e ulaştı. Adsorpsiyonun Gibbs serbest enerjisi (∆G) değerlerine göre adsorpsiyon reaksiyonlarının çoğu kendiliğinden gerçekleşebilir. Adsorpsiyon sırasında yük aktarımı GABA ve Glu moleküllerinden BNNS yapılarına gerçekleşmiştir. RDG analizine bakıldığında sıfıra yakın bölgeler yani dağılım haritasındaki yeşil renkli alanlar Van der Waals etkileşimlerini ifade etmektedir. Buradan yola çıkarak GABA ve Glu adsorbe edilmiş BNNS yapılarında Van der Waals etkileşimlerinden söz edilebilir. Sonuçlara göre, Fe katkılı BNNS ve Cu katkılı BNNS, sırasıyla GABA molekülü ve Glu molekülü için elektronik ve iş fonksiyonlu biyosensörler olarak kullanılabilir. Bu çalışma gelecekte biyosensör çalışmalarına, GABA ve Glu dışındaki nörotransmiter amino asitlerin adsorpsiyon çalışmalarına ve farklı metal katkılarıyla modifiye edilmiş BN nanoyapı çalışmalarına yol açabilir.

Abstract:
Gamma  aminobutyric acid (GABA) and Glutamate (Glu) are important neurotransmitters in the central nervous system of mammals. The concentration balance between GABA and Glu, more generally the excitatory and inhibitory balance, is very important for the proper functioning of neural activities. Disruption of this balance causes neural diseases to occur. Understanding the behavior and interactions of these neurotransmitters allows developing new and effective treatment methods. Boron nitride nanoplates (BNNSs) are preferred in many fields due to their high thermal conductivity for various applications, as well as electrical insulation and extreme thermal and chemical stability. BNNS is an ideal biosensor candidate with these features. A biosensor is a device that measures biological or chemical reactions by generating signals proportional to the concentration of an analyte in the reaction In this study, pristine and iron (Fe), copper (Cu), and platinum (Pt) metal-doped boron nitride nanosheet (BNNS) structures possibility of biosensor, adsorbent, and neural disease prediagnosis system for gamma amino butyric acid (GABA) and Glutamate (Glu) molecules were investigated by Density Functional Theory (DFT). DFT calculations were made with the WB97XD hybrid method, which takes into account variation and correlation effects. Metal atoms were doped to replace both boron (B) and nitrogen (N) atoms of BNNS. After GABA and Glu adsorption, all adsorption energies in the structure were calculated as negative values for all structures. The lowest adsorption energy and enthalpy values reached -42.1 kcal/mol and -42.7 kcal/mol, respectively. According to the Gibbs free energy (∆G) values of adsorption, most adsorption reactions can occur spontaneously. During adsorption, charge transfer occurred from GABA and Glu molecules to BNNS structures. When we look at the RDG analysis, the regions close to zero, that is, the green colored areas on the distribution map, indicate Van der Waals interactions. Based on this, Van der Waals interactions can be mentioned in GABA and Glu adsorbed BNNS structures. According to the results, Fe-doped BNNS and Cu-doped BNNS can be used as electronic and work-function biosensors for GABA molecule and Glu molecule, respectively. This study may lead to future biosensor studies, adsorption studies of neurotransmitter amino acids other than GABA and Glu, and BN nanostructure studies modified with different metal additives.