Metabolit tayinine yönelik biyoesinlenmiş nanomalzemelerin geliştirilmesi ve uygulamaları
Development and applications of bioinspired nanomaterials for metabolite detection
Yazar: ERDOĞAN ÖZGÜR
Danışman: PROF. DR. ADİL DENİZLİ ; DOÇ. DR. LOKMAN UZUN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Biyokimya = Biochemistry

Özet:
Tez çalışması üç temel kısımdan oluşmaktadır: i) melatonin baskılanmış floresans nanopartiküllerin üretimi; ii) biyoesinlenilmiş sensör yüzeylerinin tasarımına yönelik polimerik filmlerin üretimi ve iii) DNA yapısından esinlenerek aç-kapa nükleotid temelli elektrotların üretimi. 
Potansiyel metabolik biyobelirteçlerin kantitatif tayinine yönelik polimerleştirilebilen terbiyum(III) kompleksi temelli moleküler baskılanmış akıllı floresans nanopartiküller sentezlenmiştir. MIP nanopartikül sensörün etkinliğinin gösterimi için melatonin model metabolit olarak seçilmiştir. Bu biyoalgılama platformunda, daha derin penetrasyon kabiliyeti, ihmal edilebilir oto-floresans, floro ışıldama olmaması ve keskin absorpsiyon ve emisyon çizgileri, uzun ömür ve üstün foto kararlılığa sahip olması nedeniyle lantanit iyon kompleksinden yararlanılmıştır. Lantanit iyonlarının karboksilik asit gruplarına olan yüksek afinitesinden dolayı terbiyum(III) iyonlarının ve melatoninin koordinasyonu için sırasıyla amino asit temelli fonksiyonel monomerler olan N-metakriloil-L-aspartik asit (MA-Asp) ve N-metakriloil-L-triptofan (MATrp) kullanılmıştır. Floresans MIP nanopartiküller, terbiyum(III):MA-Asp ve  melatonin:MATrp komplekslerin oluşturulmasının ardından miniemülsiyon polimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Floresans MIP nanopartiküller sulu çözeltiden melatonin tayini için kullanılmıştır.
Biyolojik moleküllerin ya da aktif bölgelerinin yapay polimerlerin omurgalarına entegrasyonu ile tipik biyomoleküllerin biyotanıma özelliklerini biyo-taklit etme işlemi gerçekleştirebilir. Amino asitlerin kalıntı grupları, geniş bir yelpazedeki biyolojik yapının fonksiyonel özelliklerinin ve oldukça seçici substrat bağlama kabiliyetinin merkezinde yer almaktadır. Böylelikle bu çalışmanın ikinci kısmında, L-Histidin amino asitininin polimerleşebilen türevi olan N-metakriloil-L-histidin (MAH) sentezlenmiştir. Elde edilen işlevsel monomer (N-metakriloil-L-histidin) polivinil alkol varlığında ayarlanabilen gözenekli bir yapının eldesi için altın bir yüzey üzerinde polimerleştirilmiştir. Kontrol amaçlı olarak, gözenek yapısına sahip olmayan ve fonksiyonel olmayan polimerik yapılar (MAH ve PVA varlığında ve yokluğunda) sentezlenmiştir. Sentezlenen polimerik filmlerinin yüzey morfolojisinin karakterizasyon için taramalı elektron (SEM) ve atomik kuvvet (AFM) mikroskopları kullanılmıştır. Polimerik filmin Cu(II) iyonlarına ait belirgin afinitesinin gösterimi için elektrokimyasal davranışı da diferansiyel puls voltametrisi (DPV) ile incelenmiştir. Ayrıca, önerilen stratejinin kuvars kristal mikroterazi (QCM) elektrot yüzeyinde gerçek zamanlı supramoleküler yapının kendiliğinden düzenlenmesinde uygulanılabilirliği gösterilmiştir.
DNA genetik bilginin taşınmasındaki ve bu genetik bilginin protein sentezinde merkezi role sahip olmasının yanında ayrıca nükleotidler olarak adlandırılan tekrarlayan birimlerden oluşan doğal bir biyopolimerdir. Biyolojik işlevlerinin yanı sıra sahip olduğu fiziksel ve kimyasal özellikleri ile biyoanaliz, DNA bilgisayarı, DNA nanoteknoloji ve nanotıp gibi alanlarda kullanılmak üzere kovalent olmayan hidrojen bağları ile tamamlayıcı DNA sarmallarının kendi kendine eşlemesi taklit edebilen farklı özellikte işlevsel malzemelerin geliştirilmesinde kullanılabilir. Bu bağlamda, tez çalışmasının bu kısmında, DNA'dan esinlenerek adenin, timin ve guanin gibi bazların (oluşturdukları hidrojen bağları DNA yapısını stabilize ederler) benzotriazolmetakrilat ile polimerleşebilen türevleri sentezlenmiştir. Böylelikle, metakriloilamidoadenin (MA-Ade), metakriloilamidoguanin (MA-Gua) ve metakriloilamidotimin (MA-Thy) monomerleri sentezlenmiş ve nükleotid işlevselliği taşıyan akrilamit temelli doğrusal polimerik omurgalar hazırlanmıştır. Sonrasında sentezlenen doğrusal polimerler (poli-Ade, poli-Gua, poli-Thy) camsı karbon elektrot üzerinde grafen (iletkenliğin artırılması amacıyla) ile etkileştirilip değişen sıcaklık ile ayarlanabilen/programlanabilir elektrotların geliştirilmesinde kullanılmıştır. Sıcaklığın ve tarama hızının etkisinin belirlenmesi amacıyla bazı spektroskopik ve impedimetrik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Son olarak da interpolimerik sistemdeki sıcaklığa bağlı olarak değişen geçişi (aç-kapa arayüzeyler) spektrofotometrik ölçümler (sıcaklık kontrollü salınım çalışması için) gerçekleştirilmiştir. Kontrollü salınım çalışmalarında triptofan kullanılmıştır.

Abstract:
The thesis consists of three main sections: i) synthesis of fluorescent molecular imprinted melatonin nanoparticles; ii) synthesis of functional nanofilms for designing bioinspired sensor surfaces; iii) DNA inspired gatekeeper for developing switchable electrodes.
Smart polymerisable terbium(III) complex-based fluorescent molecular imprinted nanoparticles were synthesized for the quantitative determination of potential metabolic biomarkers. Melatonin was chosen as a model metabolite to demonstrate the MIP nanoparticle sensor. We exploited lanthanide ion complexes in our biosensing platforms due to their deeper penetration ability, negligible auto-fluorescence, lack of photo bleaching and photo blinking, and their sharp absorption and emission lines, long lifetime and extreme photo stability.  Given the high affinity of lanthanide ions towards carboxylic acid groups, we used two amino acid-based functional monomers, N-methacryloyl-L-aspartic acid (MA-Asp) and N-methacryloyl-L-tryptophan (MA-Trp), to coordinate terbium(III) ions and melatonin, respectively. The fluorescent MIP nanoparticles were synthesized using miniemulsion polymerization technique after forming complexes between terbium(III):MA-Asp and melatonin:MATrp molecules. The fluorescent MIP nanoparticles have been used for melatonin adsorption from aqueous solutions.
The integration of biological molecules or their active sites into a synthetic polymeric backbone is one possible way to achieve biomimicking of the recognition features typical of biological molecules, such as amino acids, peptides and nucleic acids. Amino acid residues are the origin of the functional properties and highly selective substrate-binding ability of many extended biological structures. In the second part of this study, a polymerizable derivative of an amino acid (L-histidine) was synthesized N-methacryloyl-L-histidine (MAH). Then, MAH was polymerized in the presence of polyvinyl alcohol (PVA) as a sacrificial polymer, to create a macroporous functional polymer on a gold surface. For control purposes, non-porous and non-functional polymers (with and without MAH and PVA) were also synthesized. Scanning electron (SEM) and atomic force (AFM) microscopies were used to characterize the surface morphology of the polymeric films on the gold surface. We systematically investigated the electrochemical behaviour of the polymeric films using differential pulse voltammetry (DPV), to demonstrate the significant affinity of the polymeric film for Cu(II) ions. And, the applicability of proposed strategy to form Cu(II) ion-mediated supramolecular self-assembly on a quartz crystal microbalance (QCM) electrode surface in real time was showed.
While DNA has the central role as carrier of genetic information and translation of the genetic code into proteins, it is also an inherently biopolymeric material consists of repeating units called as nucleotides. Besides its biological functions, DNA can be used in the construction of various functional materials via mimicking self-assembling of complementary DNA strands through non-covalent hydrogen bonds for the fields such as bioanalysis, DNA computing, DNA nanotechnology and nanomedicine due to its physical and chemical properties. Herein, inspired from DNA to synthesize polymerizable derivative of some bases (adenine, thymine and guanine) through a set of reactions with benzotriazole methacrylate (MA-Bt). By this way, new monomers methacryloyladenine (MA-Ade), methacryloylthymine (MA-Thy) and methacryloylguanine (MA-Gua) were obtained. Then, these monomers were polymerized with acrylamide to produce linear polymeric backbone carrying nucleotide functionalities. After that, each linear polymers (poly-Ade, poly-Gua, and poly-Thy) were complexed on the glassy carbon electrodes in presence of graphene which was included to enhance conductivity to develop switchable electrodes in respect to change in ambient temperature. The effects of temperature and scan rate were evaluated while some spectrometric and impedimetric measurements were conducted for characterization purpose. Finally, spectrophotometry (temperature-controlled release study by using tryptophan) was performed to show the switchability of the interpolymeric system in respect to temperature.