Escherichia coli su transfer proteini (aquaporin) kullanılarak membran yapısının geliştirilmesi ve su geçirme kapasitesinin iyileştirilmesi
Development of membrane structure using Escherichia coli water transfer protein (aquaporin) and improvement of water permeability
Yazar: NUR GAZALE BİROL
Danışman: PROF. DR. MELEK ÖZKAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Biyomimetik, doğada bulunan sistemlerin örnek alınması ve taklit edilmesi ile üretilen maddeleri, mekanizma ve sistemleri ifade etmekte kullanılır. Biyomimetik yaklaşımla her alanda olduğu gibi çevre mühendisliği alanında da doğadaki benzersiz ve mükemmel modelleri örnek alan yeni ürünler geliştirilmektedir. Bu tez çalışması doğadaki hücre zarının su geçirgenliğinde rol alan mekanizmanın sentetik bir membrana uygulanması temeline dayanmaktadır. Çalışmanın amacı, sentetik bir membrana hücre zarının su geçirme mekanizmasını düzenleyen aquaporin proteinlerinin uygulanması suretiyle doğal hücre zarı davranışını kazandırmaktır. Bu amaçla ilk önce Escherichia coli aqpZ, pGEX-4T-2 vektörüne klonlanmış ve E. coli BL21 hücrelerinde ifade edilmiştir. 200 kDa GST etiketli AqpZ, tetramer formunda hücre zarından saflaştırılmıştır. Elde edilen tetramer, pH (pH=3) ve yüksek β-merkaptoetanol konsantrasyonu gibi denatüre edici ajanlara karşı yüksek direnç göstermiştir. GST etiketli AqpZ proteinleri ihtiva eden fosfatidilserin/fosfatidilkolin (PS: PC) ve 1,2-dioleoil-sn-glisero-3-fosfokolin (DOPC) lipozomları hazırlanmıştır. Aquaporin içeren lipozomların su geçirme kapasitesi, boş lipozomlardan daha yüksek bulunmuştur, bu da GST etiketli tetramerinin işlevsel olduğunu kanıtlamıştır. Su geçirme hızı beklenildiği gibi 100 nm membran ile hazırlanan lipozomlarda, 200 nm membran ile hazırlanan lipozomlardan daha yüksek çıkmıştır. DOPC'nin su geçirme hızı ölçümleri için daha uygun olduğu gösterilmiştir. 100 nm DOPC lipozomundaki AqpZ su geçirme katsayısı (k) kontrol ile karşılaştırıldığında 57.55 s-1 fark görülmüştür. Tezin son aşamasında ise hazırlanan lipozomların sentetik su geçirmez bir membran yüzeyine gömülerek işlevselliği test edilmiştir. 
E. coli aquaporinlerini içeren polisülfon bir membran hazırlanmış ve karakterize edilmiştir. Bu biyomimetik membran ile dead-end (ölü uçlu) reaktör sistemi kullanılarak yapılan filtrasyonlarda kontrole kıyasla daha hızlı su geçişi sağladığı tespit edilmiştir. Akı artışı membranın aquaporin mekanizmasının sentetik olarak hazırlanmış membranda işlediğini, malzemenin biyolojik asılına başarılı bir şekilde benzetildiğini göstermiştir.

Abstract:
Biomimetics is used to describe the materials, mechanisms and systems produced by sampling and simulating systems found in nature. In the field of environmental engineering, new products are being developed that exemplify unique and excellent models in the nature, as well as being a biomimetic approach. This thesis study is based on the application of the mechanism that plays a role in the water permeability of the natural cell membrane to a synthetic membrane. The aim of the work is to acquire natural cell membrane behavior through the application of aquaporin proteins, which regulate the water permeation mechanism of a synthetic membrane cell membrane. For this purpose, Escherichia coli aqpZ was first cloned into the pGEX-4T-2 vector and expressed in E. coli BL21 cells. 200 kDa GST labeled AqpZ was purified from the cell lysate in tetramer form. The obtained tetramer showed high resistance to counteracting agents such as pH (pH = 3) and high β-mercaptoethanol concentration. Liposomes of phosphatidylserine / phosphatidylcholine (PS: PC) and 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) containing GST-labeled AqpZ proteins were prepared. Aquaporin-containing liposomes have a higher water permeability than empty liposomes, proving that the GST-labeled tetramer is functional. The rate of water transfer was higher than that of liposomes prepared with 100 nm membrane as expected, compared with liposomes prepared with 200 nm membrane. DOPC has been shown to be more suitable for water velocity measurements. The AqpZ k water permeability coefficient (1/s) in the 100 nm DOPC liposome was 57.55 s-1 compared to the control. 
A polysulfone membrane containing E. coli aquaporins was prepared and characterized. It has been found that this biomimetic membrane provides faster water transfer through filtration using the dead-end reactor system. The flux enhancement has shown that the aquaporin mechanism of the membrane operates synthetically prepared membrane, successfully mimicking the biological origin of the material.