Yeşil sentez ile elde edilen metal nanopartiküllerin antimikrobiyal ve antibiyofilm etkinliklerinin değerlendirilmesi
Evaluation of antimicrobial and antibiofilm activity of green synthesized metal nanoparticles
Yazar: FATİH ERCİ
Danışman: DOÇ. DR. RABİA ÇAKIR KOÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Nanoteknoloji alanındaki son gelişmeler, nano boyuttaki yapıların artan yüzey alanı ve sahip oldukları birçok farklı özellik nedeniyle günümüzde dikkat çekmektedir. Nanopartikül (NP) araştırmaları, bilim dünyasını dönüştürmeye katkıda bulunan çalışma alanlarına olağanüstü katkılar sağlamaktadır. NP'ler; tüketim ve endüstriyel ürünlerde uygulama alanı bulurken, benzersiz özellikleri ile çok önemli değişikliklere yol açacak ölçüde teknolojiyi geliştirmeye devam etmektedir. Ancak, NP'lerin artan üretimi, bunların kullanımı veya çevrede istenmeyen bir şekilde serbest bırakılmaları, tüketici ve çevre güvenliğini sağlayan süreçlere ve politikalara duyulan ihtiyaçları ortaya çıkarmaktadır. NP'lerin potansiyel olarak güvenli bir şekilde hazırlanması ve güvenli kullanım yöntemlerini bir araya getirdiğimizde oluşabilecek herhangi zararlı bir etkinin ortadan kaldırılması mümkün olacaktır. Farklı biyolojik yöntemler kullanılarak NP'lerin biyosentezi, farklı disiplinlerdeki sayısız uygulamalar için etkin olmaktadır. NP'lerin sentezi için farklı yaklaşımlar (fiziksel ve kimyasal) kullanılmasına rağmen, yeşil sentez yöntemi yüksek etkinliği, maliyet etkinliği ve çevresel faydası nedeniyle en çok tercih edilen yöntem haline gelmiştir. 
Yapılan tez çalışması kapsamında; bitki ekstraklarını kullanarak gümüş (AgNP), bakır oksit (CuONP) ve demir oksit (FeONP) NP'lerinin sentezinin ve karakterizasyonun gerçekleştirilmesi ve bu yolla sentezlenen NP'lerin biyolojik aktivitelerinin ortaya çıkarılması temel hedef olarak belirlendi. Ayrıca metalik NP'lerin boyutunun ve şeklinin, sentezde kullanılan bitki ekstrakt kaynağının NP'lerin göstermiş oldukları antimikrobiyal ve antibiyofilm etki başta olmak üzere çeşitli biyolojik aktivitelerindeki rollerinin belirlenmesi de çalışmanın temel hedeflerinden birini oluşturmaktadır. Bu amaç doğrultusunda; AgNP, CuONP ve FeONP farklı konsantrasyonlardaki Thymbra spicata L. var. spicata (Zahter) sulu yaprak ekstraktları kullanılarak oda sıcaklığında yeşil sentezle ile elde edildi. Cynara scolymus (Enginar) ve Mentha piperita (Nane) yaprak ekstraktları AgNP sentezinde kullanarak, ekonomik öneme sahip olan üç bitkinin yaprak özütleri aracılığı ile sentezlenen NP'lerin biyolojik aktiviteleri karşılaştırmalı olarak incelendi. NP'ler farklı spektroskopik ve mikroskobik analiz yöntemleri kullanılarak karakterize edildi. Sonuç olarak; bitki ekstraktları kullanılarak sentezlenen AgNP'lerin TEM analizi, AgNP'lerin boyut ve şeklinin bitki ekstraktı konsantrasyonu ile kontrol edilebileceğini ortaya çıkardı. TEM sonuçlarına göre T. spicata yaprak ekstrakt konsantrasyonunun arttırılması ile ortalama AgNP partikül çapının 70.2 nm'den 25.1 nm'ye düştüğü gözlemlendi. Ayrıca, TEM ile yapılan boyut analizlerine göre CuONP ve FeONP'lerin ortalama partikül çapının 25 ve 100 nm civarında olduğu tespit edildi. Aynı zamanda farklı tekniklerle NP'lerin boyut analizi incelendiğinde NP boyutunun DLS>AFM>TEM>XRD olarak sıralandığı ortaya çıktı. Üç farklı bitkinin yaprak ekstraktları kullanılarak sentezlenmiş AgNP'ler, iki farklı gram-negatif ve gram-pozitif bakteri karşısında antibakteriyel etkinlikte önemli farklılıklar sergiledi. C. scolymus yaprak ekstraktından elde edilen CsAgNP'lerin S. aureus'a karşı 18.53 mm çapında maksimum inhibisyon zonu ve 12.5 µg/mL MİK değeri ile en fazla antibakteriyel aktivite gösterdiği belirlendi. S. aureus için yapılan antibiyofilm aktivite çalışmasında sentezlenen NP'lerin antibiyofilm etkinlikleri belirlendi. Ayrıca, T. spicata yaprağı ekstraktını kullanarak sentezlenen AgNP'lerin antibakteriyel ve sitotoksik aktivitelerinin şekil bağımlı olduğu gösterildi. Yapılan tez çalışmasında, farklı şekillerdeki NP'leri bünyesinde barındıran örnekler, çoğunlukla küresel formda NP'lere sahip örneklere göre güçlü antibakteriyel ve sitotoksik aktivite sergiledikleri gözlemlendi. Elde edilen sonuçlar, AgNP'lerin biyolojik aktivitelerinin NP şeklinden ve sentezde kullanılan bitki ekstrakt kaynağından etkilendiğini ortaya koymaktadır. Ayrıca T. spicata yaprak özütü kullanılarak sentezlenen CuONP ve FeONP'lerin antimikrobiyal, antibiyofilm, antioksidan ve sitotoksik etkinlikleri değerlendirildi. Elde edilen sonuçlara göre, FeONP'lerin en az AgNP'lerin ise en fazla antibakteriyel aktivite gösterdiği gözlemlendi.

Abstract:
Recent advances in nanotechnology are drawing attention today due to the increased surface area of nano-sized structures and the many different properties they possess. Nanoparticle related studies provide extraordinary contributions to the study areas that contribute to transforming the scientific world. Nanoparticles continue to develop the technology in a way that leads to very important changes with its unique properties while it finds application in consumer and industrial products. However, increased production of nanoparticles and their use or unwanted release in the environment reveals the need for policies and processes that provide consumer and environmental safety. Once we combine the safe preparation of nanoparticles with potentially safe methods, it is possible to remove any harmful effect that may occur. Biosynthesis of nanoparticles using different biological methods is effective for numerous applications in different disciplines. Despite the use of different approaches (physical and chemical) for the synthesis of nanoparticles, green synthesis has become the most preferred method due to its high efficiency, cost effectiveness and environmental benefits.
Within the scope of thesis study; the synthesis of silver (AgNP), copper oxide (CuONP) and iron oxide (FeONP) nanoparticles using plant extracts and their characterization, and the evaluation of the biological activities of nanoparticles synthesized in this way have been identified as the main targets. It is also one of the basic objectives of the study to determine the role of the size and shape of metallic nanoparticles and the plant extract source, which is used in nanoparticle synthesis, in various biological activities, especially antimicrobial and antibiotic effect of nanoparticles. In accordance with this purpose; AgNP, CuONP and FeONP were obtained by green synthesis at room temperature using different concentrations of aqueous extracts of Thymbra spicata L. var. spicata (Zahter). Using the Cynara scolymus (Artichoke) and Mentha piperita (Mint) leaf extracts in AgNP synthesis, the biological activities of nanoparticles synthesized through leaf extracts of three plants with economic importance were studied comparatively. Nanoparticles were characterized using different spectroscopic and microscopic analysis methods. As a result; TEM analysis of AgNPs synthesized using plant extracts revealed that the size and shape of AgNPs could be controlled by plant extract concentration. The average AgNP diameter decreased from 70.2 nm to 25.1 nm with increasing T. spicata leaf extract concentration according to TEM results. Moreover, according to size analysis of TEM study, CuONP and FeONP have been found to have average particle diameters around 25 and 100 nm, respectively. At the same time, when the size analysis of nanoparticles was examined by different techniques, it was revealed that the nanoparticle size was listed as DLS> AFM> TEM> XRD. AgNPs synthesized using leaf extracts of three different plants exhibited significant antibacterial activity against two different gram-negative and gram-positive bacteria. It was determined that the CsAgNP obtained from C. scolymus leaf extract showed the maximum antibacterial activity with a maximum inhibition zone of 18.53 mm in diameter and 12.5 μg/mL MIC value against S. aureus. Antibiofilm acitivity for S. aureus was evaluated to determine the antibiofilm activity of the synthesized nanoparticles. In addition, it shows that the antibacterial and cytotoxic activity of AgNPs synthesized using the T. spicata leaf extract is shape-dependent. In the thesis study, samples containing nanoparticles of different shapes were observed to show strong antibacterial and cytotoxic activity, compared to samples with nanoparticles in spherical form. The results demonstrate that the biological activities of AgNPs are influenced by the nanoparticle's shapes and the plant extract source used in the synthesis. In addition, antimicrobial, antibiofilm, antioxidant and cytotoxic activities of CuONP and FeONP synthesized using T. spicata leaf extract were evaluated. According to obtained results, it was observed that FeONPs showed the least antibacterial activity while AgNPs showed the highest antibacterial activity.